Technologie des batteries électriques
Il existe aujourd’hui plusieurs types de batteries électriques que ce soit pour les véhicules électriques ou pour l’électronique avec une technologie différente.
Il existe donc différents types de batteries pour voitures électriques (et de piles) mais toutes fonctionnent avec une technologie qui se base sur des réactions chimiques :
- lithium-ion
- lithium-polymère
- lithium-dioxyde de cobalt
- plomb
- nickel-cadmium
- nickel-métal Hydrures
- tout solide
On distingue aussi les batteries avec des appellations plus commerciales comme batteries AGM ou Gel.
Sinon, il existe aussi deux grands types de batteries au lithium avec des densités énergétiques différentes : lithium-ion et lithium-métal.
Pour les batteries lithium-métal, il existe aussi une multitude de matériaux : dioxyde de cobalt et de lithium, dioxyde de manganèse et de lithium, lithium fer phosphate, etc..
Batteries lithium-ion
Nos célèbres batteries au lithium-ion datent par contre des années 1990.
Elles possèdent la densité énergétique la plus forte et se rechargent plus rapidement (voir la technologie des batteries électriques lithium-ion).
Ils en existe aussi deux variantes : LCO (Lithium cobalt) et LMO (lithium manganèse).
Ce sont les batteries électriques de la high-tech et de l’électronique (ordinateurs portables, smartphones, tablettes,…).
Une batterie lithium-ion (Li-ion) stocke l’électricité sous une forme chimique et donc toute sa technologie se base sur des réactions chimiques.
Elle possède la densité d’énergie la plus importante de la technologie des batteries électriques.
En plus elle n’a pas l’effet mémoire comme la batterie Nickel-Cadmium.
Par contre la recharge doit être sous contrôle d’un circuit électronique ce qui nécessite un conditionnement spécifique.
Une batterie lithium-ion dure également plus longtemps mais elle peut s’embraser avec un dégagement de gaz toxiques.
Batteries lithium-polymère
Les batteries lithium-polymère ou Li-Po sont des petites batteries dont l’électrolyte est faite d’un gel à base de polymère.
Cela la rend moins d’ailleurs dangereuse que la Li-ion dont elle possède les performances.
Avec toutes les formes possibles, ces batteries possèdent une densité énergétique allant jusqu’à 180 Wh/kg.
Par contre sa recharge nécessite un chargeur spécifique pour éviter qu’elle ne prenne feu.
Batteries au lithium-dioxyde de cobalt
Il s’agit de batteries dont l’électrode positive est faite de lithium-dioxyde de cobalt et l’électrode négative en graphite.
Le dioxyde de cobalt et de lithium (oxyde mixte de cobalt et de lithium) est de formule chimique LiCoO2.
Batteries au lithium-titanate
Ce sont des batteries dont l’électrode positive est en oxyde de titane et de lithium et dont l’électrode négative est faite de spinelle de lithium-titanate fritté
Le titanate de lithium est un solide blanc cristallisé qui fond entre 1 520 et 1 564 °.
Sa formule chimique est Li2TiO3.
Ce type de batterie fonctionne notamment à basse température (- 40 ° C) et se chargent rapidement.
Batteries au lithium-phosphate de fer
La technologie Lithium Ferro Phosphate (LFP ou LiFePO4) date par contre de 1996.
Les cathodes de ce type de batterie sont en lithium-phosphate de fer et leur électrolyte est par contre solide.
Leur densité énergétique va jusqu’à 110 Wh/kg.
Cette batterie possède un très haut niveau de sécurité et sert notamment pour l’E-mobilité et la robotique et également pour la traction lourde (véhicules industriels).
La technologie LFP est celle qui permet le plus grand nombre de cycles de charge / décharge
Batterie Nickel-Cadmium
Il s’agit de nos célèbres piles rechargeables Ni – Cd des années 1990 avec des électrodes de nickel et de cadmium.
Ces batteries Nickel-Cadmium furent en effet les pionnières des premières voitures électriques.
Innovantes avec leur capacité de stockage, ces batteries électriques se limitaient dans le temps en raison d’une utilisation de l’ordre de 500 à 1 000 cycles de recharge.
Il faut aussi noter l’inconvénient de l’effet mémoire de ces batteries.
Il s’agit d’un phénomène physique relatif à des cycles partiels de charge/décharge qui en altèrent d’ailleurs les performances.
La toxicité de cadmium et le risque d’incendies mirent fin aux batteries Ni-Cd.
Elles sont d’ailleurs maintenant interdites dans l’Union européenne tout comme la cadmium.
Batterie nickel-manganèse-cobalt
La Batterie Lithium Nickel-Manganèse-Cobalt (LNMC) équipe souvent les camping-cars.
Le cobalt sert de matériau pour la cathode ce qui augmente la densité énergétique et la capacité de stockage de la batterie.
C’est le système BMS de gestion de la batterie qui assure le niveau de charge.
Batterie nickel-cobalt-aluminium
La Batterie nickel-cobalt-aluminium (NCA) possède une technologie pour les cathodes plus économique que la LNMC avec une énergie plus importante.
Batterie lithium-manganèse
Avec la formule chimique LiMn 2O4, ce type de batterie LMO est similaire à la batterie LCO.
Grace à sa cathode en oxyde de manganèse et son anode en graphite, elle peut fournir beaucoup d’énergie en très peu de temps.
On les retrouve dans les équipements de jardinage et médicaux ainsi que dans les les vélos électriques.
Batterie Nickel-Métal Hydrures
Batteries électriques des années 2000, elles furent alors plus économiques et moins dangereuses.
En effet les batteries Ni-MH n’intègre pas de métaux lourds avec des capacités de 40 % d’énergie de plus que les batteries Nickel-cadmium.
Alternative à la batterie alcaline, la Ni-MH met toutefois plus de temps à se charger mais sans l’effet mémoire de le NiCd.
Ces batteries servirent pour les premières voitures électriques hybrides.
Batterie AGM
Dans une batterie AGM, l’électrolyte se trouve dans des séparateurs microporeux en fibre de verre d’où l’appellation AGM pour Absorbed Glass Material.
Ce type de batterie étanche et sans entretien sert pour les bateaux, les camping-car, les et les onduleurs.
On peut d’ailleurs les utiliser dans toutes les positions.
Batterie GEL
Les batteries Gel sont en fait des batteries au plomb avec des séparateurs rigides en duro-plastique microporeux doublés d’un film de fibre de verre.
L’électrolyte de ces batteries sans entretien se trouve dans un gel de silice.
On s’en sert pour les fauteuils électriques, les camping-cars en stationnaire, les lits médicalisés, les panneaux solaires en cyclage, les scooters et les bateaux.
Batterie au plomb
La Batterie au plomb est la plus ancienne des batteries en service et date de 1859 et on la connaît aussi comme batterie acide.
Par contre elle conserve certains avantages comme celui d’un recyclage facile.
Malgré son poids (lourd) et sa taille, elle reste très économique à l’achat en raison de sa facilité de fabrication.
Elle comprend des accumulateurs au plomb-acide en série dans un même boîtier.
Dotée d’une faible capacité électrique, elle reste suffisante pour le démarrage d’une voiture (thermique).
Avec une décharge rapide et un plomb dangereux pour la santé et l’environnement, les batteries au plomb ne peuvent que disparaître.
Batterie tout solide
Cette batterie devrait être celle de l’avenir pour la technologie des batteries électriques.
Il s’agit de mettre au point une l’électrolyte solide pour remplacer l’actuelle électrolyte liquide.
Cela devrait permettre de stabiliser la réaction thermique et d’augmenter la densité d’énergie de la batterie.
Cette nouvelle électrolyte pourrait être un polymère plastique, une poudre inorganique compactée voir même un mélange des deux.
Article : P. du Chélas
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