Diffrents types de batteries Page 1

STOCKAGE DE L'ENERGIE ELECTRIQUE Dans un systme embarqu, le stockage de lnergie lectrique est ralis principalement par des accumulateurs lectrochimiques (plomb-acide, lithium-ion,). Grce la rversibilit des ractions au sein de ces lments, il est possible de les recharger partir dune source dnergie lectrique (rseau embarqu, panneau photovoltaque, gnrateur). Lautonomie est dpendante du niveau dnergie stocke dans laccumulateur (exprime en Ah associe une tension). Dans le domaine des transports (rail, route, avion), les besoins en nergie sont plus levs. Pour un vhicule lectrique,lnergie embarque est de lordre de 20kWh (72mgaJoule) pour une autonomie denviron 150km.

Type Densit massique

en Wh/kg

Densit

volumique

en Wh/L

Tension

d'un

lment

puissance en

pointe(massique) en

W/kg

Dure de

vie

(nombre de

recharges)

auto-dcharge

par mois

Plomb/acide 30-50 75-120 2 V 700 400-1200 5 %

Ni-Cd 45-80 80-150 1,2 V ? 2000 > 20 %

Ni-MH 60-110 220-330 1,2 V 900 1500 > 30 %

Ni-Zn 70-80 120-140 1,65 V 1000 > 1 000 > 20 %

Na-NiCl2 (ZEBRA) 120 180 2,6 V 200 800 ->100%(12%/jour)

Pile alcaline 80-160 ? 1,5-1,65 V[4] ? 25 500 < 0,3 %

Li-ion 150-190 220-330 3,6 V 1500 500-1000 10 %

Li-Po 100-130 ? 3,7 V 250 200-300 10 %

Li-PO4 (lithium phosphate) 120-140 190-220 3,2V 800 2000 5%

LMP (lithium metal polymer) 110 110 2,6V 320 ? ?

Li-Air 1500-2500 ? 3,4 V 200 ? ?

Diffrents types de batteries Page 2

Batterie au plomb :

La tension nominale dpend du nombre d'lments, la tension nominale U est gale au nombre d'lments multipli par 2,1 V. Gnralement on considre qu'un accumulateur au plomb est dcharg lorsqu'elle atteint la tension de 10.8 V).

La capacit de stockage, note Q, reprsente la quantit d'nergie disponible (ne pas confondre avec la capacit lectrique). Elle s'exprime en ampre-heure.

Le courant maximal qu'elle peut fournir pendant quelques instants, ou courant de crte en ampres CCA.

Les valeurs maximales sont donnes par le constructeur pour une batterie neuve et charge 100%, elles varient sensiblement en fonction de l'tat de charge, se dgradent en fonction du temps ainsi que de l'usage qui est fait de la batterie.

La batterie au plomb est celle qui a la plus mauvaise puissance massique 35 Wh/kg, aprs la batterie Nickel-Fer. Mais comme elle est capable de fournir un courant de grande intensit, utile pour le dmarrage lectrique des moteurs combustion interne, elle est encore trs utilise en particulier dans les vhicules automobiles.

Les batteries au plomb servent aussi alimenter toutes sortes d'engins lectriques. Les voitures lectriques ne se sont toujours pas imposes du fait du mauvais rapport masse/nergie des batteries, bien que le rendement d'un moteur lectrique soit exceptionnel.

Ces batteries peuvent servir stocker de l'nergie produite par intermittence, comme l'nergie solaire ou olienne.

Les principales causes de dgradation des batteries sont: la sulfatation, la dcharge complte, le cyclage, l'oxydation des lectrodes, l'oxydation des bornes.

Les constructeurs de batteries indiquent leur dure de vie sous la forme d'un nombre de cycles normaliss de dcharge/recharge. l'issue d'un certain temps de fonctionnement dpendant du nombre et de l'amplitude des cycles, la batterie est use : l'lectrolyte prsente un aspect noirtre.

Diffrents types de batteries Page 3

Accumulateur Nickel - Cadmium

Accumulateur nickel-cadmium de PSA, Museum Autovision, Altluheim,

Allemagne

Un accumulateur nickel-cadmium ou Ni-Cd est un accumulateur lectrique rechargeable utilisant de l'oxyhydroxyde de nickel et du cadmium comme lectrodes.

En ce qui concerne les accumulateurs grand public, les batteries Ni-Cd sont aujourd'hui relativement dpasses en termes d'autonomie, et ne sont plus vendues dans l'Union europenne (suite l'interdiction de l'utilisation du cadmium dans les accumulateurs portables prvue par la directive cite ci-dessus). Elles sont remplaces par les batteries NiMH, elles-mmes aujourd'hui concurrences par les batteries Li-ion.

En ce qui concerne les accumulateurs industriels, la situation est quelque peu diffrente puisque ces accumulateurs conservent des avantages importants par rapport aux autres technologies disponibles. Ils sont en effet d'une grande fiabilit lectrique (rsistance la surcharge) et mcanique (rsistance aux chocs) et tolrent une large plage de temprature (de -50C +70C). De plus ils jouissent naturellement d'une longue dure de vie. C'est pour ces raisons qu'ils sont gnralement retenus pour des applications de scurit o ils contribuent la protection des personnes et des biens dans des domaines d'utilisation exigeants. Les domaines principaux d'utilisation sont la scurit aronautique, la scurit ferroviaire (il en est de mme pour les trains grande vitesse), la fiabilit des rseaux d'accs difficiles (tlcommunication, donnes et nergie).

Caractristiques

nergie/Poids 40~60 Wh/kg

nergie/Volume 50~150 Wh/

Rendement charge-dcharge 70~90 %

Auto-dcharge

10 % 20 % /mois

Dure de vie 24 36 mois

Nombre de cycles de charge 1500 cycles

Tension nominale par lment 1,2 V

Avantages du NiCd

Charge simple et rapide, mme aprs une longue priode de stockage, et notamment froid. Grande dure de vie en nombre de cycles de charge et de dcharge. Conserve ses performances basse temprature et ne vieillit pas prmaturment haute temprature. Rsistance interne trs faible. Stockage ais, quel que soit son niveau de charge.

Faiblesses du NiCd

Faible densit nergtique. S'auto-dcharge assez rapidement (20 % / mois). Sensibilit l'effet mmoire. Contient des substances dangereuses (6 % de Cd) ce qui implique qu'il doit tre collect en fin de vie

pour recyclage. Cot d'achat plus lev que la technologie standard.

Diffrents types de batteries

Accumulateur nickel-hydrure mtallique

Accumulateur nickelmtallique

Caractristiques

nergie/Poids 30 80 Wh

nergie/Volume 140 300 Wh/

Rendement charge-dcharge 66 %

Auto-dcharge

10-15 % par mois, 10durant les premires 24 h

Dure de vie 24 48 mois

Nombre de cycles de charge 500 1000

Tension nominale par lment 1,2 V

Points forts du NiMH

Contient beaucoup plus d'nergie que le Peu sensible l'effet mmoire Simple stocker et transporter Ne contient pas de cadmium

Points faibles du NiMH

Ne supporte pas le dpassement de charge Dtection de fin de charge difficile ( Dure de vie plus faible que le nickel

nombre de cycles

hydrure mtallique

Accumulateur nickel-hydrure

Un accumulateur nickel-hydrure mtallique(de l'anglais nickel-metal hydrideaccumulateur lectrique l'hydrure mtallique (compos permettant de stocker de l'hydrogne) et de l'oxyhydroxyde de comme lectrode.

Les accumulateurs NiMH ont t commercialiss vers 1990 et prsentent une nergie volumique suprieure d'au moins 30 % par rapport aux accumulateurs (Nickel-Cadmium). Ils sont aujourd'hui euxdpasss en termes d'nergie massique par les accumulateurs Li-ion (LithiumPolymre

La technologie NiMH est extrmement rpandue dans les accumulateurs 1,2 V d'usage courant :

Les modles AA/LR6 dont la capacit peut atteindre 2 700 mAh pour les plus performants ;

Les modles AAA/LR3 dont la capacit maximale est de 1 000 mAh.

L'avantage, en matire d'environnement, des batteries d'accumulateurs NiMH est l'absence de cadmium et de plomb, deux matriaux trsEn outre, elles possdent de meilleures performances et une plus faible sensibilit l'

Leur fabrication et leur recyclages doivent nanmoins se faire trs soigneusement, car lpotassium est irritant et corrosif pour la peau, les yeux et les voies respiratoires et digestives.

Wh/kg

140 300 Wh/

15 % par mois, 10-15 % durant les premires 24 h

24 48 mois

500 1000

Contient beaucoup plus d'nergie que le nickel-cadmium

porter

Ne supporte pas le dpassement de charge Dtection de fin de charge difficile (v trs faible)

nickel-cadmium en

Page 4

hydrure mtallique ou NiMH metal hydride) est un rechargeable utilisant de

mtallique (compos permettant de stocker de l'hydrogne) et de l'oxyhydroxyde de nickel

Les accumulateurs NiMH ont t commercialiss vers et prsentent une nergie volumique suprieure

d'au moins 30 % par rapport aux accumulateurs NiCd ). Ils sont aujourd'hui eux-mmes

dpasss en termes d'nergie massique par les (Lithium-ion) et Lithium-

La technologie NiMH est extrmement rpandue 1,2 V d'usage courant :

Les modles AA/LR6 dont la capacit peut atteindre 2 700 mAh pour les plus

Les modles AAA/LR3 dont la capacit maximale est de 1 000 mAh.

L'avantage, en matire d'environnement, des batteries d'accumulateurs NiMH est l'absence de

, deux matriaux trs polluants. En outre, elles possdent de meilleures performances et une plus faible sensibilit l'effet mmoire.

Leur fabrication et leur recyclages doivent nanmoins re trs soigneusement, car lhydroxyde de

est irritant et corrosif pour la peau, les yeux et les voies respiratoires et digestives.

Diffrents types de batteries Page 5

Batterie Ni-MH de Prius II

En 2010, les batteries NiMH sont le standard pour quiper les voitures hybrides (moteur combustion + moteur lectrique). En effet malgr des performances en retrait par rapport aux batteries base de lithium, elles gardent l'avantage de bien supporter de forts courants de charge et de dcharge et sont beaucoup plus sres en cas de surchauffe.

La Toyota Prius et la Honda Civic IMA, par exemple, sont toutes deux quipes dune batterie Panasonic (Matsushita) NiMH, de 1,3 kWh (39 kg pour la premire et de 28 kg pour la seconde). Ces batteries sont prvues pour durer toute la dure de vie du vhicule (garanties 8 ans).

En 2005 sont apparus des accumulateurs NiMH faible auto-dcharge, vendus prchargs. Ceux-ci conservent gnralement 70 % 85 % de leur capacit aprs un stockage d'un an 20C. Les accus NiMH normaux perdent quant eux de 10 15 % de leur capacit durant les premires 24h, puis de 10 15 % par mois.

Leur faible rsistance interne permet un maintien d'une tension plus leve avec les quipements ncessitant des courants levs, comme les appareils photo numriques.

Accumulateur lithium-ion

Une batterie lithium-ion, ou accumulateur lithium-ion est un type d'accumulateur lithium.

Ses principaux avantages sont une nergie massique leve (deux cinq fois plus que le nickel-hydrure mtallique par exemple) ainsi que l'absence d'effet mmoire. Enfin, l'auto-dcharge est relativement faible par rapport d'autres accumulateurs. Cependant le cot reste important et cantonne le lithium aux systmes de petite taille. Commercialise pour la premire fois par Sony Energitech, en 1991 la batterie lithium-ion occupe aujourd'hui une place prdominante sur le march de l'lectronique portable.

La batterie lithium-ion est base sur l'change rversible de l'ion lithium entre une lectrode positive, le plus souvent un oxyde de mtal de transition lithi (dioxyde de cobalt ou manganse) et une lectrode ngative en graphite (sphre MCMB)2. L'emploi d'un lectrolyte aprotique (un sel LiPF6 dissous dans un mlange de carbonate d'thylne, de carbonate de propylne ou de ttrahydrofurane) est obligatoire pour viter de dgrader les lectrodes trs ractives.

La tension nominale dun lment Li-ion est de 3,6 V ou 3,7 V (selon la technologie). Cette quivalence : 1 lment Li-ion = 3 lments Ni-MH est intressante car elle permet parfois une substitution pure et simple (du Li-ion par du Ni-MH uniquement, l'inverse pouvant s'avrer catastrophique). De plus le Ni-MH est d'une utilisation plus sre, notamment lors de la charge.

Ce problme de scurit impose d'intgrer un systme lectronique de protection, embarqu le plus souvent dans chaque lment au lithium il empche une charge ou dcharge trop profonde et permet l'quilibrage des tensions entre lments dans les batteries constitues de plusieurs lments en srie, dfaut, le danger peut aller jusqu' l'explosion de la batterie. Les courants de charge et de dcharge admissibles sont aussi plus faibles qu'avec d'autres technologies. Par ailleurs, des spcialistes estiment que leur dure de vie serait limite environ deux ou trois ans aprs fabrication.

Cependant, certains accumulateurs Li-ion industriels de grande puissance (plusieurs centaines de watts par lment) durent jusqu' 15 ans, grce une chimie amliore et une gestion lectronique optimise. Ils sont

Diffrents types de batteries Page 6

utiliss en aronautique, dans les vhicules hybrides, les systmes de secours, les navires... Les sondes spatiales Galileo par exemple sont quips de batteries Li-ion prvues pour douze ans4. L'utilisation de la technique Li-ion ces chelles de puissance n'en tait qu' ses dbuts dans les annes 2000.

Avantages des accumulateurs lithium-ion[modifier]

Ils possdent une haute densit d'nergie pour un poids trs faible, grce aux proprits physiques du lithium (trs bon rapport poids/ potentiel lectrique). Ces accumulateurs sont donc trs utiliss dans le domaine des systmes embarqus.

Ils ne prsentent aucun effet mmoire contrairement aux accumulateurs base de nickel. Ils ont une faible auto-dcharge (10 % par mois voire souvent moins de quelques % par an). Ils ne ncessitent pas de maintenance. Ils peuvent permettre une meilleure scurit que les batteries purement lithium, mais ils ncessitent

toujours un circuit de protection.

Faiblesses des accumulateurs lithium-ion[modifier]

La profondeur de dcharge : ces batteries vieillissent moins vite lorsqu'elles sont recharges par des recharges partielles que lorsqu'elles supportent des cycles complets de dcharge/ recharge5.

Les lments lithium-ion sont passivs par construction (par exemple par dpt d'un mince film de chlorure de lithium sur l'anode) afin de les protger contre l'auto-dcharge pendant le stockage et la corrosion. Cependant, cette passivation peut avoir des inconvnients car, en augmentant la rsistance interne de l'lment, elle gnre une chute de tension lors de l'utilisation (au dbut de l'application de la charge). Ceci est d'autant plus sensible que le courant demand par la charge est lev, ce qui peut conduire l'intervention du circuit de protection qui coupe alors le circuit si la tension par lment descend en dessous de 2,5 V. Cette rsistance de la couche de passivation augmente avec de la dure et la temprature de stockage (les tempratures leves augmentent la passivation). D'autre part, cet effet est accentu si la temprature de dcharge est basse et augmente avec les cycles de d'utilisation. Mais l'amplitude du phnomne est aussi fonction de la conception chimique qui n'est pas la mme selon les fabricants6.

Les courants de charge et de dcharge admissibles sont plus faibles qu'avec d'autres techniques. Il peut se produire un court-circuit entre les deux lectrodes par croissance dendritique de lithium. L'utilisation d'un lectrolyte liquide prsente des dangers si une fuite se produit et que celui-ci entre en

contact avec de l'air ou de l'eau (transformation en liquide corrosif : l'hydroxyde de lithium). Cette technique mal utilise prsente des dangers potentiels : elles peuvent se dgrader en chauffant

au-del de 80 C en une raction brutale et dangereuse. Il faut toujours manipuler les accumulateurs lithium-ion avec une extrme prcaution, ces batteries peuvent tre explosives. Et comme avec tout accumulateur : ne jamais mettre en court-circuit l'accumulateur, inverser les polarits, surcharger ni percer le botier.

Pour viter les problmes, ces batteries doivent toujours tre quipes d'un circuit de protection, d'un circuit de rgulation (le BMS, Battery Management System), d'un fusible thermique et d'une soupape de scurit. Elles doivent tre charges en respectant des paramtres trs prcis et ne jamais tre dcharges en dessous de 2,5 V par lment.

Enfin, les accumulateurs Li-ion ne doivent pas tre confondus avec les piles Lithium qui ne sont pas rechargeables, la confusion est entretenue par un terme anglophone commun Battery.