20 févr. 20238 min de lecture

Batterie

CONSTITUTION:

Une batterie au plomb est constituée d'un certain nombre d'éléments accumulateurs montés en série et reliés par des connexions en plomb soudé (une batterie de 12 V contient 6 éléments chacun de 2V; 2x6=12V).

Les accumulateurs sont logés dans un bac en plastique (polypropylène, ABS...), fermé par un couvercle scellé.

Chaque accumulateur est composé d'un ensemble de couples d'électrodes positives et négatives isolées par un séparateur microporeux, destiné à éviter les courts-circuits tout en laissant circuler les ions.

Les électrodes sont formées d'une grille en alliage de plomb, dont les alvéoles sont remplies d'une pâte poreuse :

- de peroxyde de plomb PbO2 pour l'électrode positive

- de plomb métallique Pb pour l'électrode négative

Les électrodes baignent dans un électrolyte, solution diluée d'acide sulfurique H2SO4, sous forme liquide, sous forme de gel ou absorbée dans des feutres en fibre de verre.

PRINCIPALES CATEGORIES :

Il existe 3 principales catégories définies par leur domaine d'application :

batterie de démarrage : utilisée dans les automobiles, elle est composée de plaques fines, de grande surface, et autorise des courants de décharge élevés, mais de courte durée
batterie de traction : utilisée dans les chariots élévateurs, elle est formée de plaques plus épaisses et permet des décharges journalières pouvant atteindre 80% de la capacité
batterie stationnaire : utilisée dans les ASI (alimentations sans interruption), conçue pour fonctionner en "floating"

Le floating consiste à appliquer une tension proche de la tension de repos de la batterie, de façon à éviter l'autodécharge. Il permet aussi d'alimenter les différents consommateurs d'énergie, en conservant la batterie chargée.

PRINCIPALES TECHNOLOGIES :

conventionnelle : c'est une batterie ouverte, qui nécessite un apport régulier d'eau. Cette batterie est vendue "sèche", l'électrolyte est ajouté avant la première utilisation.

VRLA (Valve Regulated Lead Acid) : c'est une batterie à soupape. En cas de dégazage, l'hydrogène et l'oxygène se recombinent à l'intérieur de la batterie pour former de l'eau. Si la pression interne devient trop forte, une vanne-soupape relâche les gaz : si ce stade est atteint fréquemment, l'électrolyte se dessèche et rend la batterie inutilisable
- type AGM (Absorbed Glass Mat) : une fine feuille de fibre, imbibée d’électrolyte (70% d’eau et 30 % d’acide) est placée entre les plaques de plomb de la batterie. Cette batterie peut fournir un courant élevé, de courte durée.

type GEL : l'électrolyte est figé par l'addition de gel de silice. Ces batteries sont étanches et peuvent être placées dans n’importe quelle position

Batteries au nickel

On y trouve les batteries NiMH (nickel métal hydrure) qui ont quasiment remplacé les NiCd (nickel cadmium) qui posaient des problèmes de recyclage du cadmium.

Les NiMH ont une grande densité énergétique et peuvent être complètement déchargée sans porter préjudice à leur durée de vie.

Elles ont l’inconvénient d’être de faible capacité, ce qui en fait des accumulateurs plutôt destinés à alimenter des appareils portables où l’autonomie dépasse rarement quelques heures.

Elles fournissent en général entre 500 et 700 cycles à 80 % de décharge.

Batteries au Lithium

Lithium-métal, dangereuses et explosives, lithium-ions, stables avec la densité énergétique la plus élevée du marché, lithium-Polymère, technologie sèche prometteuse.

Elles sont réservées aux systèmes photovoltaïques portables où leur grande capacité de décharge (six fois mieux que le plomb étanche) est leur grand intérêt.

Leur prix est encore prohibitif mais elles fournissent en général, environ 1 300 cycles à 100 % de décharge.

(Durée de vie à 30% de décharge, 2400 cycles et à 80% de décharge, 600 cycles)

Cette technologie très jeune, est tout de même prometteuse et en développement constant.

Batterie GEL

On entend par batterie gel une batterie plomb à électrolyte gélifié. Inventé dans les années 1950 en Allemagne, ce type de batterie créé par Sonnenschein fait partie de celles qui ont une durée de vie optimale par rapport à tant d’autres batteries.

Plus exactement, elle est 8 fois plus résistante qu’une batterie traditionnelle. Elle est d’ailleurs la plus utilisée pour stocker de l’énergie solaire.

Pour ce type de batterie pour panneau solaire, l’électrolyte n’est pas mobilisé durant l’ajout de gel de silice. Ce qui la permet de durer dans le temps est le fait qu’on lui a additionné de l’acide phosphorique. Comme une batterie AGM, une GEL présente une autodécharge très faible de 1 à 3% en un mois. C’est ainsi que son risque de tomber à plat est moindre même si les résidents dans le lieu où elle se trouve ne la charge pas durant des mois.

Cet avantage est dû au fait qu’elle est faite à partir de matériaux purs et de grilles au plomb-calcium. Il est toutefois à préciser qu’une batterie gel doit toujours être accompagnée d’un régulateur de charge solaire capable de bien contrôler les voltages d’absorption et le float plus bas pour qu’elle puisse tenir assez longtemps et pour éviter qu’elle ne s’abîme rapidement.

Quels sont les principaux avantages de recourir à une batterie GEL ?

L’utilisation d’une batterie étanche GEL est surtout conseillée pour ceux qui veulent une batterie qui a une durée de vie optimale. En effet, elle peut durer jusqu’à une vingtaine d’années. Cela peut être justifié par son nombre de cycles de charge et de décharge. Plus exactement, elle est en mesure de supporter jusqu’à environ 900 cycles.

Mis à part cela, cette batterie plomb à électrolyte gélifié est une batterie étanche. En effet, elle n’a besoin d’aucun entretien régulier. En plus, elle ne nécessite pas l’addition d’eau distillée.

À la différence de tant d’autres batteries, celle-ci est en mesure de supporter même une décharge profonde. Seulement, pour qu’elle ne perde pas sa capacité, cette décharge ne devrait pas durer trop longtemps. Il est d’ailleurs à noter que la batterie GEL est surtout idéale pour ceux qui demeurent dans un endroit difficilement accessible.

Plus exactement, elle est surtout à recourir pour ceux vivent dans des sites isolés.

Elle est également parfaitement adaptée à tout type de saisons. De surcroît, grâce à la technologie robuste de cette batterie, elle peut supporter aussi bien des chocs que des vibrations.

Un des multiples avantages de l’utilisation de ce type de batterie est le fait qu’elle peut être disposée dans tous les sens : que ce soit sur le côté ou sur la tranche. Ceci est un point fort à ne pas négliger par rapport à la disposition des batteries à acides liquides qui doivent être toujours placées horizontalement.

Quels sont les inconvénients d’une batterie GEL ?

Même si la batterie étanche gel présente un grand nombre d’avantages, elle présente toutefois certains inconvénients. Entre autres, elle ne supporte pas qu’on la laisse sans charge durant plus de 6 mois. Dans ce cas, il est probable qu’elle perdra sa longévité.

De plus, comme elle a une forte résistance interne, elle ne supporte pas les vitesses de charge élevées. Plus concrètement, il faut la charger d’une manière assez lente et la vitesse de charge de ce type de batterie ne doit pas dépasser C/10.

Pour ce qui est de sa tension de charge, elle est inférieure à celle des autres batteries et son risque de diminution de durée de vie est beaucoup plus important. Plus exactement, si la tension de charge dépasse 0,7 V, cela aura une influence néfaste sur la durée de vie d’une batterie étanche GEL.

Il convient de noter qu’elle peut perdre jusqu’à la moitié de sa durée de vie moyenne. De plus, cette batterie ne résiste pas à la surcharge. Si cela venait à se produire, elle va alors dégager des gaz qui ne sont pas récupérables.

Quant à son prix, une batterie GEL est deux fois plus chère qu’une batterie a plomb ouvert.

REACTIONS CHIMIQUES :

Une batterie de voiture stocke l’énergie sous forme chimique et la convertit en énergie électrique. Au cours de ce processus électrochimique, quatre éléments réagissent entre eux :

– l’hydrogène (H)

– l’oxygène (O2)

– le plomb (Pb)

– le soufre (S)

La connexion d’un consommateur externe démarre la réaction chimique dans la batterie :

L’électrolyte, un mélange d’acide sulfurique (H2SO4) et d’eau distillée, se décompose en ions hydrogène chargés positivement (H+) et en ions sulfate chargés négativement (SO42-).
Simultanément, des électrons (2e–) passent de l’électrode négative à l’électrode positive, par le consommateur externe.
Pour compenser ce flux d’électrons, des ions sulfate passent de l’électrolyte à l’électrode négative, où ils réagissent avec le plomb (Pb) pour produire du sulfate de plomb (PbSO4).
Du sulfate de plomb est également produit au niveau de l’électrode positive : la liaison entre l’oxygène (O2) et l’oxyde de plomb (PbO2) est brisée par le transfert d’électrons et l’oxygène passe dans l’électrolyte. Le plomb (Pb) restant se combine avec le sulfate (SO4) de l’électrolyte.
Dans l’électrolyte, l’oxygène se combine avec l’hydrogène pour former de l’eau (H2O). Au fur et à mesure que l’acide sulfurique est consommé par la formation du sulfate de plomb, la concentration de la solution d’électrolyte baisse. Lorsque la concentration d’acide sulfurique tombe sous un certain seuil, la batterie doit être rechargée.
Pendant la charge, ce processus chimique est effectué dans le sens inverse. Lorsqu’il est terminé, on retrouve les composants initiaux : l’électrode positive se compose de sulfate de plomb (PbSO4), l’électrode négative de plomb pur (Pb) et l’électrolyte d’acide sulfurique dilué (H2SO4). Comme ce processus de conversion s’accompagne de pertes, une batterie ne peut supporter qu’un nombre limité de cycles de charge. Par conséquent, sa durée de vie utile est limitée.

Causes du vieillissement prématuré d'une batterie

décharge profonde (80% de la capacité C20) : les batteries en état de décharge complète doivent être rechargées dans un délai maximum de 48 heures sous peine de dommages irréversibles
décharges journalières trop importantes : une longévité optimale est obtenue si les décharges journalières ne dépassent pas 16% de la capacité C100
charge trop rapide (le courant de charge doit être limité à C/5)
charge insuffisante (ne jamais laisser une batterie déchargée à plus de 50 % : recharger régulièrement la batterie à 100 %)
surcharge (bouillonnement excessif qui entraîne une perte d'eau)
température : la durée de vie d'une batterie est indiquée par le fabricant pour une température ambiante de 20°C Cette durée de vie est réduite de moitié pour une élévation de température de 10°C
autodécharge (une batterie, même inutilisée, perd sa capacité d'autant plus rapidement que sa température de stockage est élevée : à 20°C, une batterie VRLA peut perdre chaque mois 5% de sa capacité, ce qui peut entraîner une décharge profonde)

Exemple : Une batterie a les caractéristiques suivantes : C20 = 95 Ah ; C100 = 105 Ah Pour une longévité optimale, la décharge journalière ne doit pas dépasser 16% de C100 soit : 16 x 105 / 100 = 17 Ah En utilisation exceptionnelle, la décharge ne doit pas dépasser 80% de C20 soit : 80 x 95 / 100 = 76 Ah

Problèmes se produisant sur les batteries plomb-acide : la sulfatation et la stratification d’acide

Si une batterie est chargée avec une tension qui est trop faible, ou si elle fonctionne toujours à une tension trop faible (inférieure à 80 %), une stratification de l’acide peut se produire.

L’acide dans l’électrolyte se mélange mal et se stratifie. Des différences de densité entraînent une stratification, l’acide sulfurique se trouvant dans la zone du fond de la batterie et l’eau dans la zone supérieure.

Pour cette raison, seule la zone du milieu de l’électrolyte – c’est-à-dire uniquement un tiers – peut être utilisée pour les processus de charge et de décharge.

Ce sont principalement les trajets courts avec utilisation simultanée d’un grand nombre de consommateurs électriques qui sont une des causes possibles de la stratification d’acide.

Dans ce cas, l’alternateur n’a pas suffisamment de temps pour recharger la batterie.

La sulfatation est une conséquence de la stratification d’acide. Si une stratification se produit dans la batterie, ou si celle-ci n’est pas constamment chargée à un niveau adéquat, le sulfate de plomb (PbSO4) se cristallise sur les électrodes, formant avec le temps des structures cristallines de grande taille.

Ce processus s’appelle la « sulfatation ». La cristallisation empêche la reconversion du sulfate de plomb en plomb ou en oxyde de plomb, les composants initiaux ; cela se traduit par une limitation de l’acceptation de charge et par une réduction de la puissance de démarrage à froid.

Par ailleurs, des cristaux coupants peuvent également endommager les séparateurs ou provoquer des courts-circuits dans les éléments.

Pour contrer cet effet et empêcher l’apparition prématurée d’une panne, le niveau de charge d’une batterie ne doit jamais être trop bas sur une longue période. À cette fin, il est recommandé de tester régulièrement la batterie et de la charger totalement si nécessaire.

Charge d'une batterie

La charge d'une batterie doit se faire de préférence en respectant les 3 phases :

charge à courant constant jusqu'à 80% de la charge : ce courant doit être limité à une valeur comprise entre C/3 et C/10, selon les performances du chargeur
charge d'absorption à tension constante dans laquelle le courant diminue
charge d'entretien à tension réduite afin de compenser l'auto-décharge