cours électronique : Les accumulateurs chargeur de batterie

Contrairement aux piles dont I'energie electrique stockee ne peut etre utilisee qu'une seule fois, les accumulateurs presenters ('immense avantage de la reversibilite, ce qui se traduit par la possibility d'une suite de cycles charge/decharge.

On les trouve dans des applications pouvant necessiter une puissance plus importante.
telles que le demarrage des moteurs thermiques des vehicules routiers. Mais la reversibilite qui les caracterise
les rend egalement interessants pour des puissances beaucoup plus modestes. C'est le cas d'appareils
portables, comme les telephones mobiles ou les appareils photo.

Caracteristiques generates :

Constitution de principe:

D'une maniere generale, un accumulateur, plus communement appele

( batterie ) se compose essentiellement :
- d'une electrode positive
- d'une electrode negative
- d'un electrolyte (liquide ou solidifie)
- d'un bac renfermant les trois elements evoques ci-dessus et pouvant etre totalement etanche (figure 1)

etant donne que le courant electrique de « charge » circule entre I'electrode positive (anode) et I'electrode negative (cathode). Nous ne rentrerons pas dans le detail de la reaction electrochimique qui se produit a cette occasion. Cette reaction depend essentiellement du type de batterie. En situation de « decharge >*, il se produit la reaction electrochimique inverse. La batterie fournit de I'energie dans un circuit exterieur. II en resulte une inversion du courant circulant au sein de I'electrolyte. Lorsque les deux electrodes atteignent le meme etat electrochimique, la batterie est dechargee et ne possede plus d'energie electrique intrinseque.

Tension :

C'est une caracteristique importante. Elle se rnesure a vide. Generalement, la tension dtsponible aux bornes d'un element de base n'est que de quelques volts. Cette valeur depend, par ailleurs, du type de batterie.
Comme il est souvent necessaire de disposer d'une valeur de tension plus importante, telle que 6 V, 12 V voire 24 V, les elements sont relies en serie a I'interieur de I'accurnulateur, pour constituer une •< batterie •.
On I'appelle quelquefois « f.e.m ». (force electromotrice)

Capacite

La valeur de la capacite d'une batterie est en relation avec sa taille. Egalement appelee « charge electrique »,
elle s'exprime en Ah (Ampere-heure) ou encore en mAh (1 Ah = 1 000 mAh). Une batterie se caracterisant par une capacite de 1 Ah est theoriquement capable de fournir un courant de 1 A pendant une heure.
L'Ah est done une unite de quantite d'electricite que les normes officielles preconisent d'exprimer en coulombs (C). Le coulomb correspond a un courant de 1 A pendant 1 s. On peut done ecrire la correspondence suivante :

1 Ah = 3600 C

Energie stockee :

S'agissant d'une energie, elle se mesure en joules (J) qui est I'energie correspondant a un courant de 1 A
sous une tension de 1 V pendant 1 s, ou encore une puissance de 1 W pendant 1 s. On I'exprime souvent en Wh ou en kWh.
1 Wh = 3600 J
Etant donne que cette notion integre la tension, elle est davantage significative que la capacite.

Debit :

Le debit s'exprime en amperes (A). C'est la valeur maximale prevue pour laquelle la batterie peut fonctionner sans alteration irreversible et sans augmentation anormale de sa température interne. Quant au debit maximum, de valeur beaucoup plus importante. ce dernier ne saurait etre que ponctuel. II est tres superieur au debit nominal.

Resistance interne :

Elle s'exprime en ohms (Q). II s'agit d'une resistance interieure, plutot nuisible, qui s'oppose au courant de
decharge (figure 2). Elle transforme une partie de I'energie restituee par la batterie en chaleur. C'est une perte. Si on designe cette valeur de resistance interne par « r », la tension theonque de la batterie par « E », la resistance exterieure de charge par - R », i'intensite debitee par < I » et enfin la tension mesuree aux bornes de la batterie par « U », on peut ecrire les egalites suivantes :
E = U + <r x I)
E = (R + r) x I

Courant de charge :

Ce courant s'exprime, bien entendu, en amperes (A). C'est une valeur preconisee par le constructeur. Bien
souvent, on I'exprime par un rapport : celui du courant de charge ramene a la capacite. Par exemple, si une batterie se caracterise par une capacite de 1 Ah et que le courant de charge
preconise est de 200 rnA, le rapport en question est de 0,2 (0,2/1). Les puristes ne manqueront pas de
remarquer qu'il s'agit d'un rapport peu... orthodoxe puisque Ton compare deux valeurs exprimees a I'aide
d'unites differentes

Energie specifique :

Cette grandeur determine Tenergie que la batterie peut fournir par rapport a sa masse. De ce fait, elle s'exprime en Wh/kg ou encore en Ah/kg. Une autre maniere d'integrer I'aspect dimensionnel ou, plus exactement I'aspect volumique de la batterie, consiste a faire etat de sa densite volumique. Elle s'exprime en Ah/m:' ou, plus couramment, en Wh/I (Wh/litre).

Differents types de batteries :

Batterie au plomb:

C'est le type de batterie le plus ancien (figure 3). C'est aussi le plus polluant : il reunit acide sulfurique et plomb ! II equipe essentiellement les vehicuies routiers. A noter toutefois qu'il existe des batteries au plomb
etanches avec un electrolyte sous forme de gel. L'element de base se caracterise par une tension d'environ 2,1 V. Avec six elements, on obtient done une batterie de 12,6 V. Une telle batterie est capable de fournir sans dommage des courants importants, tels ceux necessaires au demarrage d'un moteur thermique, par exemple. Leur autre avantage reside dans leur faible taux de decharge qui est de I'ordre de 1 % par mois. En revanche, leur densite energetique est faible. De plus, en situation de decharge prolongee, il se produit la

sulfatation des elements. C'est un phenomene irreversible. Pour la charge, il est preferable de ne pas depasser 2,3 V par element. Pour la decharge, il est imperatif de ne pas descendre au-dessous de 1 ,9 V.
Si la batterie est inutilisee, elle doit necessairement etre stockee chargee. Une batterie au plomb depasse
rarement cinq annees d'utilisation.

Batteries au nickel-cadmium (Ni-Cd) :

Ce sont les plus utilisees dans differents appareils portables, mais elles seront remplacees, a terme, par des

accumulateurs Ni-MH (Nickel-Metal Hydrure) en raison du degre eleve de pollution du cadmium (figure 4). Parmi leurs qualites, on retient leur aptitude a fournir des courants de decharge relativement intenses grace
a une resistance interne tres faible. Caracterises par une tension nominale par element de 1 ,2 V, lors de leur
decharge, on observe une tension soutenue pendant pres de 70 % de leur capacite. De meme, leur recharge
reste simple et presente de grandes tolerances. II faut cependant eviter les recharges rapides. Elles presentent tout de meme quelques points faibles. En particulier une autodecharge pouvant depasser 20 % par mois. Mais la particularity dont il convient de tenir compte est sans conteste leur •< effet memoire ». C'est la raison pour laquelle, tors de la premiere mise en service, il est conseille de leur faire subir deux a trois cycles charge/decharge complets, precaution qui leur procurera une capacite maximale. II faut surtout
eviter la recharge, si la batterie n'est pas dechargee, faute de quoi il se produit la memorisation de la plage
de charge entre la capacite restante et la charge maximale, d'oii une diminution de la capacite lors des
charges suivantes. Mais attention : decharger totalement une batterie de ce type ne signifie pas arriver a V.
On considere que la decharge est entiere lorsque la tension par element atteint 1 V. II vaut mieux les stocker dechargees et effectuer des cycles de charge/ decharge a I'occasion de leur remise en service. Elles supportent aisement deux mille cycles pour une duree de vie pouvant atteindre huit ans.

Batteries au nickel-metal hydrure (Ni-MH) :

Le cadmium, element tres polluant, a ete ecarte de leur composition (figure 5). Commercialisees dans les annees quatre-vingt-dix, ces batteries se caracterisent par une energie massique bien superieure a celle des batteries Ni-Cd, de 30 % au moins. De plus, elles ont un « effet memoire » tres faible, avec des performances bien superieures. Leur stockage ne pose aucun probleme particulier. Les points faibles resident essentiellement dans la difficulty de mise en evidence de la fin de charge. En effet,
cette derniere se manifeste par une legere inflexion de la courbe. Leur duree de vie est egalement plus faible
que celle des batteries Ni-Cd. Actuellement, on fonde de nombreux espoirs sur ce type de batterie pour
I'equipement des futures voitures hybrides {moteur a combustion/moteur thermique).

Dernieres avancees :

Batteries au nickel-zinc (Ni-Zn) :

Ce couple est developpe depuis plusieurs dizaines d'annees. II presentait au debut le gros desavantage d'un
nombre reduit de cycles, ce qui lui donnait une duree de vie mediocre. Grace a une nouvelle technologie,
dont la fin des travaux remonte a 2005, ce probleme est maintenant
resolu. Les performances de ce type de batteries, dont la tension nominale est de 1,65 V par element, sont largement superieures a celles des batteries Ni-Cd et Ni-MH. Leur duree de vie est comparable a
celle des batteries Ni-Cd avec un phenomene d'autodecharge egalement reduit. De plus, - I' effet memoire » est aussi tres inferieur.

Batteries au lithium :

Dans ce type de technologie, on distingue les batteries au :
- lithium « metal » dans lesquelles I'electrode negative est composee de lithium metallique
- lithium <• ion • oil le lithium est a I'etat ionique par I'insertion d'un compose d'insertion
- lithium <• polymere » (Li-Po) Les batteries au lithium « metal » posant des problemes de securite relatifs a I'emploi de ce materiau, on leur a prefere celles au lithium « ion ». Ce genre de batterie occupe actuellement
la premiere place sur le marche de Telectronique portable. Les points forts resident dans une forte densite
energetique, un <• effet memoire » nul et une autodecharge extremement faible. La tension nominale d'un element est de 3,6 V Ces batteries ne doivent jamais etre dechargees a
moins de 2,5 V. Dans les batteries au lithium « polymere •>, I'electrolyte est un polymere gelifie. Ces batteries presentent des avantages tels que la possibilite de prendre des formes diverses (par exemple, dans un badge) et peuvent meme etre deposees sur un support flexible. La tension par element est legerement superieure : 3,7 V.