Batteries

Batteries

Également appelée accumulateur, la batterie est un générateur électrique qui peut être chargé, déchargé et rechargé plusieurs fois, par opposition aux piles qui sont jetées après utilisation. Elle est composée d'une ou plusieurs cellules électrochimiques. Les batteries rechargeables sont produites dans différentes formes et tailles, allant des cellules de types boutons aux immenses systèmes de plusieurs mégawatts qui sont utilisés pour stabiliser les réseaux de distribution électrique.

Les dispositifs qui utilisent des batteries comprennent les démarreurs d'automobiles, les appareils portables tels que les smartphones, les tablettes tactiles etc.., les véhicules légers (tels que les fauteuils roulants motorisés, les voiturettes de golf, les bicyclettes électriques et les chariots élévateurs électriques), ainsi que les outils. Les applications émergentes comprennent les véhicules électriques et les véhicules hybrides qui utilisent cette technologie pour réduire les coûts, le poids et la taille, et augmenter la durée de vie.

Les réseaux électriques utilisent des batteries rechargeables pour le nivellement des charges (stockage de l'énergie électrique pendant les périodes de faible utilisation) et pour les énergies renouvelables. Le nivellement de la charge réduit la puissance maximale qu'une centrale doit être capable de générer, ce qui réduit le coût en capital et le besoin en centrales de pointe.

Processus de Rechargement des Batteries

Pendant le chargement, le matériau actif positif est oxydé, produisant des électrons, et le matériau négatif est réduit, consommant des électrons. Ces électrons constituent le flux de courant dans le circuit externe. L'électrolyte peut servir de simple tampon pour le flux d'ions interne entre les électrodes, comme dans les cellules lithium-ion et nickel-cadmium, ou il peut être un participant actif dans la réaction électrochimique, comme dans les cellules plomb-acide.

Découvrir les différents types de batteries

La batterie au plomb, inventée en 1859 par le physicien français Gaston Planté, est le plus ancien type de batterie rechargeable. Malgré son très faible rapport énergie-poids et son faible rapport énergie-volume, ses cellules ont un rapport puissance/poids relativement important.

Batterie à flux

Une batterie à flux est un type de cellule électrochimique où l'énergie chimique est fournie par deux composants dissouts dans des liquides séparés par une membrane. L'échange d'ions se produit à travers la membrane tandis que les deux liquides circulent dans leur propre espace respectif. La tension des cellules est déterminée chimiquement par l'équation de Nernst, et varie, dans des applications pratiques, de 1 à 2,2 volts.

Batterie au plomb

Inventée en 1859 par le physicien français Gaston Planté, la batterie au plomb est le plus ancien type de batterie rechargeable. Malgré son très faible rapport énergie-poids et son faible rapport énergie-volume, elle dispose d’un rapport puissance/poids relativement important. Ces caractéristiques, ainsi que leur faible coût, rendent les batteries au plomb très attrayantes pour une utilisation dans les véhicules à moteur afin de fournir le courant élevé que requièrent les démarreurs. En 1999, les ventes de batteries au plomb représentaient 40 à 45% de la valeur des batteries vendues dans le monde.

Batterie nickel-zinc

La batterie nickel-zinc, en abrégé NiZn, est une version rechargeable, similaire aux batteries NiMH, mais avec une tension plus élevée de 1,6 V. Les grands systèmes de batteries au nickel-zinc sont connus depuis plus de 100 ans. Depuis 2000, le développement d'un système d'électrode de zinc stabilisé a rendu cette technologie viable et compétitive avec d'autres systèmes de batteries rechargeables disponibles dans le commerce. Contrairement à d'autres technologies, la recharge par intermittence n'est pas recommandée pour la batterie NiZn.

Batterie aluminium ion

Batteries encore au stade de prototypes, les batteries aluminium-ion sont une classe de batteries rechargeables dans laquelle les ions d'aluminium fournissent l'énergie en se déplaçant de l'électrode négative, la cathode, vers l'électrode positive, l'anode. Lors de la recharge, les ions aluminium reviennent à l'anode et peuvent échanger trois électrons redox par cation.

Batterie nickel-cadmium

La batterie au nickel-cadmium (Ni-Cd)est une version rechargeable utilisant de l'hydroxyde d'oxyde de nickel et du cadmium métallique comme électrodes. Les batteries au nickel-cadmium à cellules humides ont été inventées en 1899. Par rapport à d'autres types de cellules rechargeables, elles offrent une bonne durée de vie et de bonnes performances à basse température. Ils ont également l’avantage de fournir pratiquement toute leur capacité nominale à des débits élevés. Cependant, les matériaux sont plus coûteux et les cellules ont des taux d'autodécharge élevés.

Batterie K-ion

La batterie potassium-ion, également appelée batterie K-ion, est un type de batterie analogue aux batteries lithium-ion. Elle utilise des ions potassium pour le transfert des charges à la place des ions lithium. Elle a été inventée en 2004 par le chimiste irano-américain Ali Eftekhari, également président de l'American Nano Society.

Batterie radicalaire organique

La batterie radicalaire organique, de l’anglais organic radical battery (ORB), est un type de batterie relativement nouveau. Cette version développée en 2005 n'est pas encore disponible dans le commerce, mais son développement est proche de l'utilisation pratique. Les ORB sont potentiellement plus écologiques que les batteries conventionnelles à base de métal, car elles utilisent des polymères radicalaires organiques, qui sont des plastiques flexibles. Les ORB sont considérées comme une alternative de haute puissance à la batterie Li-ion. Des prototypes fonctionnels ont été étudiés et développés par différents groupes de recherche et sociétés, y compris la société japonaise NEC.

Batterie lithium-ion

Une batterie lithium-ion (ou Li-ion) est un type de batterie rechargeable dans lequel les ions lithium passent de l'électrode négative à l'électrode positive pendant la décharge et dans le sens inverse lors de la charge. C’est l'une des versions rechargeables les plus populaires dans les appareils électroniques portables, en raison de sa densité d'énergie élevée, de son effet de mémoire réduit et de sa faible autodécharge. Ces générateurs gagnent également en popularité pour les applications militaires, les véhicules électriques à batterie et l’aérospatiale.

Batterie thermique

Les batteries thermiques sont une catégorie de batterie qui utilise des sels fondus comme électrolytes. Elles offrent à la fois une densité énergétique élevée et une densité de puissance élevée. Les batteries thermiques traditionnelles «à usage unique» peuvent être stockées à l'état solide à température ambiante pendant de longues périodes avant d'être activées par chauffage. Les batteries thermiques rechargeables sont utilisées dans les véhicules électriques et peuvent potentiellement servir au stockage d'énergie dans un réseau d’énergies renouvelables.

Batterie alcaline

La batterie alcaline est un type de pile alcaline qui est capable d’être rechargée pour une utilisation répétée. Les batteries alcalines de première génération ont été introduites par Union Carbide et Mallory au début des années 1970. Les formats incluent AAA, AA, C, D et les piles de 9 volts. Les batteries alcalines sont fabriquées entièrement chargées et ont la capacité de maintenir leur charge pendant des années, plus longtemps que les piles NiCd et NiMH, qui se déchargent spontanément. Les piles alcalines rechargeables peuvent avoir une efficacité de recharge élevée et ont un impact environnemental moindre que les piles jetables.

Batterie automobile

Une batterie automobile est une batterie rechargeable qui fournit du courant électrique à un véhicule automobile. Son but principal est d'alimenter le démarreur qui met en marche le moteur. Une fois le moteur en marche, l'alimentation des systèmes électriques de la voiture est fournie par l'alternateur. En plus de démarrer le moteur, la batterie automobile fournit l'énergie nécessaire lorsque les besoins électriques du véhicule dépassent l'alimentation du système de charge. C'est aussi un stabilisateur, qui élimine les pics de tension potentiellement dommageables. Les batteries automobiles modernes sont, pour la plupart, des batteries au plomb.

UltraBattery

UltraBattery est un dispositif hybride de stockage d'énergie au plomb à longue durée de vie. Il combine les taux de charge rapides des ultracondensateurs avec le potentiel de stockage d'énergie de la batterie au plomb dans un dispositif hybride avec un électrolyte commun. UltraBattery® est inventé par l'Organisation australienne de recherche scientifique et industrielle du Commonwealth (CSIRO).

Batterie sodium-ion

Les batteries sodium-ion sont des batteries rechargeables à ions métalliques qui utilisent des ions de sodium comme porteurs de charge. Les batteries au sodium-ion ont été identifiées comme des alternatives attrayantes aux batteries lithium-ion, car elles sont fabriquées à partir de matières premières moins chères, plus abondantes et moins toxiques.

Batterie domestique

Une batterie domestique est une unité de stockage d'énergie à domicile, qui a la capacité d’emmagasiner de l'énergie provenant soit directement du réseau électrique, soit de ressources renouvelables telles que l'énergie éolienne et solaire. Les ménages peuvent installer des batteries individuelles, ou les coupler ensemble pour plus de capacité de stockage.

Piles rechargeables versus jetables

Les piles sont des dispositifs qui peuvent générer de l'électricité. Une pile peut avoir une ou plusieurs cellules électrochimiques et elle est composée de bornes qui peuvent être connectées à des appareils externes pour servir d’alimentation électrique. La principale différence entre les piles jetables et les piles rechargeables est que les premières ne peuvent être utilisées qu'une seule fois, alors que les secondes peuvent être utilisées plus d'une fois. Dans la pratique, les piles rechargeables portent le nom de batteries, tandis que les piles non rechargeables portent le nom de piles, tout court.

Batterie solaire

Une batterie solaire capture l’énergie solaire inutilisée pendant la journée, pour une utilisation ultérieure la nuit et les jours de faible ensoleillement. Les batteries solaires doivent répondre aux exigences d'une énergie instable, d'un cycle de charge et de décharge intense et d'une utilisation irrégulière. Il existe une variété de types de batteries adaptées à ces exigences uniques.

Batterie de véhicule électrique

Une batterie de véhicule électrique (EVB) ou batterie de traction est utilisée pour alimenter la propulsion des véhicules électriques à batterie (BEV). Les batteries de traction sont utilisées dans les chariots élévateurs à fourche, les voiturettes de golf, les auto-laveuses, les motocyclettes électriques, les voitures électriques, les camions, les fourgonnettes et autres véhicules électriques.

Chargeur de batterie

Un bon chargeur de batterie fournit la base pour des batteries durables et performantes. Dans un marché sensible aux prix, les chargeurs reçoivent souvent une faible priorité, alors que la batterie et le chargeur doivent aller ensemble comme un cheval et une voiture. Une planification prudente donne la priorité absolue à la source d'alimentation en la plaçant au début du projet plutôt qu'après l'achèvement du matériel.

Innovations sur les batteries

Alors que les smartphones, et les autres objets du quotidien deviennent intelligents, ils sont encore limités par leur autonomie en termes de puissance. La batterie n'a pas avancé depuis des décennies, mais nous sommes à l’aube d'une révolution. Bien qu'il puisse s'écouler un certain temps avant que nos téléphones puissent tenir une semaine sans être rechargés, le développement progresse et les universités s'impliquent.

Batterie intelligente

La batterie a hérité du problème de ne pas pouvoir communiquer avec l'utilisateur. Ni le poids, ni la couleur, ni la taille n'indiquent l'état de charge (SoC) et l'état de santé de la batterie (SoH). L'utilisateur était jusqu’ici à la merci de la batterie. Bienheureusement, de l'aide est à portée de main pour briser la loi du silence. Un nombre croissant de batteries rechargeables sont aujourd'hui «intelligentes». Munies d'une puce électronique, ces batteries peuvent communiquer avec le chargeur et l'utilisateur. En 1990, Benchmarq a été la première entreprise à commercialiser le concept en proposant une technologie de jauge.

Batterie Li-air

La batterie lithium-air (Li-air) est une cellule électrochimique métal-air qui utilise l'oxydation du lithium à l'anode et la réduction de l'oxygène à la cathode pour induire un flux de courant. L'appariement du lithium et de l'oxygène ambiant peut théoriquement conduire à des cellules électrochimiques ayant la plus grande énergie spécifique possible. Des avancées électrolytiques significatives sont cependant nécessaires pour développer une mise en œuvre commerciale.

Histoire des batteries

Les batteries ont fourni la principale source d'électricité avant le développement des générateurs et des réseaux électriques vers la fin du 19ème siècle. Les améliorations successives de la technologie des batteries ont facilité les grandes avancées en matière d'électricité, depuis les premières études scientifiques jusqu'à l'essor des télégraphes et des téléphones, pour finalement aboutir aux ordinateurs portables, aux téléphones mobiles, aux voitures électriques et à de nombreux autres appareils électriques.

Batterie de secours

Une batterie de secours alimente un système lorsque la source d'alimentation principale est indisponible. Les batteries de secours vont des petites cellules individuelles pour conserver l'heure et la date dans les ordinateurs, jusqu'aux grands modules qui alimentent les systèmes d'alimentation sans coupure des grands centres de données.

Batterie nickel-fer

La batterie nickel-fer (Ni-Fe ou NiFe)est un dispositif rechargeable ayant des plaques positives en oxyde de nickel et des plaques négatives en fer, avec un électrolyte d'hydroxyde de potassium. Les matériaux actifs sont maintenus dans des tubes en acier nickelé ou des poches perforées. C'est une batterie très robuste qui tolère les abus (surcharge, surdécharge et court-circuit) et qui peut avoir une très longue durée de vie (plus de 20 ans) même si elle est maltraitée.

Batterie lithium-manganèse

Comme toutes les technologies, la batterie au lithium-ion a évolué au fil des décennies, intégrant de nouvelles chimies pour différentes applications et des performances accrues. Une pile lithium-manganèse est une pile au lithium-ion qui utilise le dioxyde de manganèse (MnO2) comme matériau primaire de cathode.

Batterie nickel

Une batterie nickel est une source d'énergie rechargeable à base de nickel combiné à différentes sources comme l'hydrogène, le cadmium, le zinc, ou encore le fer. Le nickel est un métal relativement rare dont la Russie est le premier producteur mondial mais qu'on trouve quand même aux quatre coins du monde.

Batterie nickel-métal-hydrure

La batterie au nickel-métal-hydrure, en abrégé NiMH ou Ni-MH, est un type de batterie rechargeable. La réaction chimique au niveau de l'électrode positive est similaire à celle de la cellule au nickel-cadmium (NiCd), les deux utilisant de l'hydroxyde d'oxyde de nickel (NiOOH). Cependant, les électrodes négatives utilisent un alliage absorbant l'hydrogène à la place du cadmium. Une batterie NiMH peut avoir deux à trois fois la capacité d'une batterie NiCd de taille équivalente, et sa densité d'énergie peut s'approcher de celle d'une batterie lithium-ion.

Batterie nickel-hydrogène

Une batterie nickel-hydrogène (NiH2 ou Ni-H2) est une source d'énergie rechargeable à base de nickel et d'hydrogène. Elle diffère d'une batterie nickel-métal hydrure (NIMH) par l'utilisation d'hydrogène sous forme gazeuse. Les cellules NiH2 utilisant de l'hydroxyde de potassium à 26% comme électrolyte ont une durée de vie de 15 ans ou plus. Alors que la densité d'énergie n'est que d'environ un tiers de celle d'une batterie au lithium, la batterie nickel-hydrogène a une plus longue durée de vie.

Batterie silicium-air

Les batteries silicium-air sont une nouvelle batterie inventée par une équipe dirigée par le professeur Ein-Eli de l’Israel Institute of Technology. La technologie de ces dispositifs de stockage d’énergie est basée sur des électrodes d'oxygène et de silicium. Ces batteries peuvent être légères, avec une tolérance élevée pour les conditions extrêmement sèches ou très humides. Comme les autres batteries anode-air, les batteries au silicium-air dépendent de l'oxygène de l'air pour leurs cathodes. Elles n'incluent donc pas de cathodes dans leurs structures, ce qui permet des économies de coûts et de poids. Des cellules expérimentales utilisant des électrolytes liquides ioniques à température ambiante ont produit entre 1 et 1,2 volt par centimètre carré de silicium.

Batterie sodium-soufre

Les batteries sodium-soufre (NaS) ont été initialement développées par Ford Motor Company dans les années 1960 et par la suite la technologie a été vendue à la société japonaise NGK. Une batterie sodium-soufre est un type de batterie thermique construit à partir de sodium liquide (Na) et de soufre (S). Ce type de batterie a une densité énergétique élevée, un rendement de charge/décharge élevé, une longue durée de vie, et est fabriqué à partir de matériaux peu coûteux. Les températures de fonctionnement de 300 à 350°C et la nature hautement corrosive des polysulfures de sodium les rendent particulièrement adaptés aux applications de stockage d'énergie en stationnaire. La cellule devient plus économique lorsque la taille s’accroît.

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