Après avoir exposé le principe de
fonctionnement et les différents paramètres de performances d'une
batterie, nous allons présenter les différents types de batteries
en fonction de la technologie utilisée. Les batteries sont
essentiellement classées en deux catégories :
· Les batteries primaires qui transforment de
manière irréversible l'énergie chimique en énergie
électrique. Quand l'offre initiale de réactifs est
épuisée, l'énergie ne peut être facilement
restaurée à la batterie par des moyens électriques. Des
batteries comme les batteries zinc-carbone et alcalines font partie de cette
catégorie.
· Les batteries secondaires qui peuvent être
rechargées. Autrement dit, elles peuvent avoir leurs réactions
chimiques inversées en fournissant de l'énergie électrique
à la cellule, permettant ainsi le rétablissement de leur
composition originale. Des batteries comme les batteries NiCd, NiMH, Li-Ion
font partie de cette catégorie.
Les deux types de piles ont leurs avantages et leurs
inconvénients. Une description détaillée de cette question
peut être trouvée dans [16].
En raison de leur fonction de réutilisabilité et
avec les avancés technologiques, les batteries secondaires sont de plus
en plus utilisées pour un bon nombre d'applications portables comme les
téléphones portables, les appareils photo portables, les
ordinateurs
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d'automobile, l'avionique, les missions spatiales, etc. C'est
l'une des raisons pour laquelle nous allons décrire plus
précisément ce type de batterie.
Les batteries secondaires sont essentiellement
divisées en deux catégories : batterie à cellule humide et
batterie à cellule sèche. Un exemple de cellule humide est la
batterie plombacide. Ce type de batterie est fréquemment employé
dans l'approvisionnement de grande puissance pour la téléphonie
et les centres de calcul, le démarrage des véhicules à
moteur, l'éclairage, etc. Comme exemple de batteries sèches, on
peut citer les batteries NiCd (Nickel Cadmium), NiMH (Nickel Hydrure
Métallique) et Li-Ion (Lithium Ion). Ces batteries sont couramment
employées dans les appareils portables tels que les
téléphones portables, appareils photo, ordinateurs portables,
etc.
Les batteries NiCd sont composées d'une
électrode positive Ni(OH)2/NiOOH et d'une électrode
négative de Cadmium, Cd. L'électrolyte est une solution aqueuse
d'hydroxyde de potassium (KOH). Le grand avantage des batteries NiCd est leur
chargement rapide et leur performance à la décharge : il est
possible de recharger une batterie en 10 minutes et de délivrer un grand
courant lors de la décharge [1, 5, 10]. Les batteries NiCd ont une
tension de fonctionnement moyenne de 1,2 V et elles peuvent être
utilisées dans de nombreux appareils portables. Ils sont
particulièrement utilisés dans les téléphones
portables, les rasoirs, les caméscopes, les produits audio portables et
les ordinateurs portables.
Les inconvénients des batteries NiCd sont leur
densité d'énergie relativement faible et leur possible effet
mémoire. Cet effet mémoire fait que la batterie ne pourra
délivrer que la capacité utilisée pendant les cycles
précédents de charge/décharge. En raison de cette
incidence, de préférence, toute la capacité des batteries
NiCd doit être utilisée pour chaque cycle de décharge afin
d'éviter une diminution du SoC [10]. Un autre inconvénient est la
présence de cadmium, qui représente un danger pour
l'environnement. Cela peut conduire à une interdiction complète
de batteries NiCd dans l'avenir.
La principale différence entre les batteries NiCd et
NiMH est que dans une batterie NiMH un alliage d'hydrure métallique est
utilisé pour l'électrode négative, au lieu de cadmium. De
cette manière, une plus grande densité d'énergie est
obtenue et de plus, l'effet de mémoire et l'impact sur l'environnement
sont réduits. Les batteries NiMH peuvent d'ailleurs
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remplacer les batteries NiCd sans modification du
système dans lequel elles sont insérées car
elles ont
la même tension moyenne d'exploitation par cellule, soit 1,2 V. Les
applications oüse trouvent ce type de batterie sont les
téléphones sans fil et mobiles, les rasoirs, les
caméscopes, les produits audio portables, les ordinateurs
portables et les véhicules électriques hybrides (VEH).
Les inconvénients des batteries NiMH sont leur taux
d'autodécharge relativement élevé et leur faible
robustesse par rapport au sur-chargement, dernier point qui est aggravé
par le fait qu'il est difficile de détecter l'état plein de la
batterie pendant le processus de charge [5, 10].
Pour pallier aux inconvénients des deux autres
batteries, une nouvelle technologie basée sur le Lithium Ion est
proposée. Une représentation schématique
générale d'une batterie Li-ion est donnée dans la figure
1.6 [17]. La cellule se compose de cinq régions (de la gauche vers la
droite dans la figure 1.6) :
· un collecteur d'électrode négative actuelle
faite de cuivre,
· une électrode composite poreuse à insertion
négative,
· un séparateur poreux,
· une électrode composite poreuse à insertion
positive,
· et un collecteur d'électrode positive fait
d'aluminium.
Les électrodes composites sont réalisées
à partir de particules de matière active maintenues ensemble par
un liant et un matériau de remplissage approprié tel que le
carbone noir. Lorsque la décharge est sur le point de commencer
l'électrode négative est entièrement lithié et
l'électrode positive est prête à accepter les ions lithium.
Pendant la décharge, les ions lithium quittent les particules de
l'électrode négative et entrent dans la phase de solution, alors
que dans la région de l'électrode positive, les ions lithium,
dans la phase de solution s'intercalent dans les particules LiCoO2. Il en
résulte un gradient de concentration, qui pousse les ions de lithium de
l'électrode négative vers l'électrode positive. La tension
de la cellule baisse pendant la décharge. La cellule est
considérée comme ayant atteint la fin de la décharge
lorsque sa tension chute d'environ 3,0 V [17].
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Figure 1.6 : Représentation schématique d'une
batterie Li-ion.
L'électrode positive est faite d'oxydes de lithium
(par exemple LiCoO2, LiNiO2 or LiMn2O4) pour le stockage des ions de lithium.
L'électrode négative en carbone est constituée de graphite
ou du coke de pétrole. L'électrolyte est
généralement un sel dissous dans un solvant organique. Mais, les
batteries avec d'autres solvants tels que le carbonate de propylène
existent également. Un exemple de sel utilisé est le LiPF6.
La tension de fonctionnement des batteries Li-ion est
critique et la surcharge/décharge provoque un vieillissement rapide de
la batterie, pouvant jusqu'à provoquer l'incendie ou l'explosion de la
batterie. Ainsi, un circuit de protection électronique est
nécessaire pour gérer correctement la charge et décharge
de la batterie. Les applications utilisant ce type de batteries sont les
téléphones portables, les rasoirs, les caméscopes, les
produits audio portables, les ordinateurs portables, etc.
Plusieurs types de systèmes de batteries rechargeables
ont été abordés plus haut. Leurs principales
caractéristiques sont résumés dans le Tableau 1.1 [10,
18].
Parmi les batteries de type secondaire, la batterie Li-Ion
est la plus utilisée, comme le montre la figure suivante,
associée à la part de marché de chaque sèche
rechargeable [19].
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Figure 1.7 : Statistique de la demande des batteries
rechargeables.
1.2.2.2. Quelle est la meileure
batterie
Pour faire une évaluation objective des performances de
chacune de ces batteries, nous allons utiliser quelques unes des principales
caractéristiques que sont :
· La haute densité énergétique.
· La charge rapide et sure de la batterie.
· La décharge sure et efficace de la batterie.
· La haute FEM (Force Electromotrice).
· La haute efficacité de courant.
· La haute efficacité électrostatique.
· La longue vie avec conservation des performances.
· La faible autodécharge.
· Le faible entretien exigé.
· Le faible impact écologique.
Pris séparément, chacune des
caractéristiques décrites ci-dessus pourra être
effectivement obtenue, mais il sera impossible de toutes les réunir sur
une seule et même batterie [1, 5, 10, 18]. En effet, certaines batteries
peuvent être conçues pour une petite taille et une longue
utilisation, mais elles ont un cycle de vie limité. Une autre peut
être conçut pour augmenter sa durée de vie, mais cela se
fera au détriment de sa taille qui pourra être
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encombrante. Un tiers peut avoir une densité
énergétique élevée et une longue durée de
vie, au détriment du coût qui sera élevé et qui
réduit le nombre d'application cible.
De même, une batterie au lithium peut être
conçue pour une densité d'énergie maximale, mais sa
sécurité pourrait être compromise. Le Tableau 1.1 [10, 18]
résume les points forts et les limites des systèmes de batteries
populaires actuellement utilisés.
