Depuis l’invention par Alessandro Volta en 1800 de la pile à base de plaques de cuivre et de zinc (voir photo ci-dessous), les technologies ont « un peu » progressé, les volumes ont « un peu » diminué, les puissances ont « un peu » augmenté et surtout elles sont devenues rechargeables. Petit panorama des technologies utilisées actuellement dans les batteries.

Les batteries rechargeables ont pour mission de stocker l’électricité pour la fournir ensuite à la demande. Le type de batterie utilisée dépend de plusieurs facteurs :

  • La tension attendue (en Volts)
  • L’intensité maximale (en A)
  • La capacité de stockage d’électricité (en Wh ou kWh)
  • La taille et le poids
Au début, c’était le plomb,

L’accumulateur au plomb a été inventé au milieu du 19ème siècle et perdure dans nos voitures thermiques jusqu’à aujourd’hui. Il est composé de plaques de plomb baignant dans de l’acide sulfurique. La technologie est éprouvée, fiable, peu onéreuse, mais présente quelques désavantages :

  • Capacité de stockage faible au regard du poids du dispositif, ce qui la rend inadaptée pour les véhicules électriques et beaucoup de dispositifs portables
  • Risque de fuites d’acide sulfurique, même si le risque est faible, les conséquences peuvent être dramatiques
  • En cas de décharge complète (« profonde ») le sulfate de plomb cristallise de manière irréversible, rendant la batterie définitivement inutilisable

 

Puis vint le nickel,

Afin de contourner les obstacles liés au plomb, les industriels ont cherché d’autres procédés plus sûrs et permettant une meilleure densité énergétique. Le nickel associé au cadmium (NiCd) s’est imposé pendant de nombreuses années dans les dispositifs portables, grâce à sa bonne résistance aux chocs, aux températures extrêmes, à une grande longévité (15 à 20 ans) et sa capacité à supporter un grand nombre de cycles. Néanmoins, la densité énergétique est limitée, l’autodécharge importante (20% par mois) et surtout le cadmium est un produit toxique et polluant. C’est pour cette raison que l’Union Européenne en a interdit l’usage dans sa directive de 2006.

La technologie NiCd a été remplacée par la technologie NiMh, Nickel – hydrure métallique. Elle permet une augmentation significative de la densité énergétique (+30%) par rapport au NiCd mais les propriétés en termes de nombres de cycles ont été diminuées. En 2005, la technologie a été améliorée pour réduire de beaucoup l’autodécharge. Les premiers véhicules hybrides utilisaient cette technologie de batteries.

D’autres associations avec le nickel ont été essayées, mais aucune n’a connu de développement commercial important.

 

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Et enfin le lithium.

De nos jours, c’est le lithium qui a gagné la bataille avec différentes déclinaisons comme le lithium-ion, le lithium-polymère ou encore le lithium-fer-phosphate. Elles ont une densité énergétique qui peut aller jusqu’au double des batteries NiMh, c’est-à-dire que pour le même poids, elles peuvent stocker deux fois plus d’électricité. On les retrouve donc dans tous nos appareils portables, téléphones, laptops, etc. De plus, bien gérées, elles peuvent endurer plusieurs milliers de cycles de recharges avant de perdre significativement en capacité, tout en supportant les micro-recharges ou la récupération d’énergie au freinage.  C’est la raison pour laquelle Wyca utilise cette technologie dans ses robots.

Un des inconvénients majeurs des batteries lithium, c’est qu’elles peuvent chauffer et parfois même exploser. Il faut donc contrôler avec soin les niveaux de charge et d’utilisation à l’aide d’un BMS (Battery Management System) qui va s’assurer de la sécurité de l’ensemble, que les intensités sont bien respectées et que la batterie ne va pas se décharger complètement, ce qui la rendrait totalement inutilisable. Dans les usages professionnels, la qualité du BMS est primordiale pour la sécurité et la longévité du dispositif.

La plupart des constructeurs de voitures électriques utilisent des batteries de type Li-ion, même si des spécificités distinguent les concurrents : Tesla utilise une association lithium Nickel Cobalt Aluminium pour améliorer la densité énergétique, la longévité et les performances de charge. A contrario, Chevrolet et BMW utilisent une association lithium Nickel Manganèse Cobalt qui a des performances moindres mais qui est considérée comme plus sûre à haute température.

Il est amusant de noter que les batteries puissantes de ces voitures sont en fait constituées de milliers de piles « bâtons » comme dans votre réveil !

En synthèse, le tableau ci-dessous permet de comparer les capacités des différentes technologies au regard du poids et du volume.

Depuis l’invention de la batterie au plomb, on a multiplié les densités énergétiques par 10, ce qui est ridicule en comparaison avec les progrès des semi-conducteurs et la loi de Moore pour laquelle la puissance des processeurs double tous les deux ans. Pour les batteries, les capacités doublent… tous les 10 ans !! La pile à combustible viendra peut-être changer la donne… ou encore le lithium toujours, mais cette fois-ci associé à l’oxygène de l’atmosphère (lithium-air) qui permettrait un nouveau gain de densité d’un facteur 10.

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