Batterie d'accumulateurs

Une batterie d'accumulateurs, ou plus communément une batterie, est un ensemble d'accumulateurs électriques reliés entre eux de façon à créer un générateur électrique de tension et de capacité désirée. Ces accumulateurs sont parfois appelés éléments de la batterie ou cellules.

On appelle aussi batteries les accumulateurs rechargeables destinés aux appareils électriques et électroniques domestiques.

La batterie d'accumulateurs permet de stocker l'énergie électrique sous forme chimique et de la restituer sous forme de courant continu, de manière contrôlée.

Batterie d'accumulateurs d'un mini-aspirateur domestique (2018).

Vocabulaire

En France, dans le langage commun, le mot « batterie » désigne souvent un ensemble d'accumulateurs électriques bien que ce ne soit que l'un des multiples sens de ce mot.

L'expression anglaise battery pack se traduit en français littéralement par « ensemble d'accumulateurs » ou « batterie d'accumulateurs ». La traduction littérale « pack de batterie » ou encore « pack batterie » est un anglicisme et un pléonasme.

Types d'accumulateurs

Densité d'énergie de quelques accumulateurs.

Les batteries d'accumulateurs nécessaires aux voitures électriques mais également aux voitures hybrides ont suivi une évolution technologique continue et les progrès sont importants ; mais actuellement, aucune solution n'est entièrement satisfaisante et chaque type d'accumulateur d'électricité est souvent dédié à un type d'usage. Certaines de ces batteries ont un usage commun avec d'autres secteurs comme l'éolien ou le solaire pour stocker l’énergie produite de façon intermittente et la distribuer en période de forte demande.

Batterie d'accumulateurs expérimentale 50 Ah / 30 V pour véhicule spatial.

Les recherches et découvertes en cours sont très prometteuses, au point que certains fabricants de batteries promettaient une autonomie des voitures électriques de 800 km pour la décennie, grâce à la batterie lithium air. Néanmoins, en 2016, peu de voitures électriques peuvent dépasser 400 km sans recharge en usage standard.

Configuration

Choix de configuration

Vue en coupe d'une batterie d'accumulateurs de voiture, avec ses six cellules en série et ses plaques de plomb, pour une batterie de 12 V.

Les accumulateurs sont souvent câblés en série afin d'obtenir la tension de batterie souhaitée.

Pour augmenter le courant disponible, il est également possible de recourir à un montage en parallèle des cellules.

Le propre de la batterie d'accumulateurs est donc d'augmenter la tension et/ou le courant disponible afin de correspondre aux caractéristiques d'une alimentation donnée.

La combinaison des deux techniques peut être faite en accouplant plusieurs éléments :

• en parallèle plusieurs blocs de cellules en série (technique déconseillée pour un assemblage dans un même pack)
• en série plusieurs blocs de cellules en parallèle (préférable)

Notation série et parallèle

Afin de simplifier les descriptions de montage des batteries d'accumulateurs, une notation usuelle est employée pour designer le couplage de^{[réf. souhaitée]} :

• six cellules en série : notée « 6S »
• deux cellules en parallèle : notée « 2P »
• deux blocs en parallèle de six cellules en série : notée « 2P6S »
• etc.

Utilisations

Véhicule électrique équipé de batteries lithium-ion.

Les batteries d'accumulateurs sont utilisées dans de nombreux domaines :

• les accessoires des véhicules routiers sont alimentés en électricité par des batteries d'accumulateurs (souvent de type plomb-acide) lorsque le moteur du véhicule n'est pas en marche. Le but premier de la batterie est de fournir l'énergie nécessaire au démarreur lors de la mise en route du moteur, l'alternateur étant la principale source d'énergie électrique du véhicule une fois le moteur en marche. La tension de cette batterie est couramment de 12 volts sur les automobiles, 24 volts sur les camions et, peut-être, de 42 volts pour la prochaine génération de véhicules) ;
• dans les alimentations sans interruption, elles stockent l'énergie permettant de suppléer pendant quelques minutes, à quelques heures, une coupure de courant du réseau électrique ;
• elles permettent le démarrage du groupe Diesel d'une alimentation de secours ;
• les batteries sont utilisées dans de nombreux appareils électroniques autonomes par exemple les téléphones mobiles, les baladeurs numériques, etc. ;
• pour la traction des véhicules électriques, des batteries souvent de technologies autres que le plomb, d'une tension supérieure sont utilisées, afin de limiter le poids à transporter et le courant électrique dans le câblage ;
• les batteries solaires sont des batteries optimisées pour un fonctionnement avec des panneaux photovoltaïques ;
• dans son concept de troisième révolution industrielle, Jeremy Rifkin propose de maximiser l'utilisation des énergies renouvelables et d'en minimiser les coûts en utilisant les batteries de véhicules comme moyen de stockage itinérant d'électricité, provenant de source d'énergie intermittente.

Géographie de la production

Selon Bloomberg New Energy Finance, la Chine dispose en 2019 d'une capacité de production de 217,2 GWh, devant les États-Unis (49,5 GWh) et la Corée (23,1 GWh). La France se situe à la huitième position (1,1 GWh) grâce aux usines de Saft et Forsee Power.

Airbus européen de la batterie

En 2019, la Commission européenne a octroyé une subvention publique de 3,2 milliards d'euros en soutien à la création d'un projet européen d'entreprise de batteries. L'objectif est de créer un « Airbus des batteries » tout en se focalisant sur le développement de batterie Li-ion avec une durée de vie augmentée et un impact environnemental atténué.

Charge des batteries

Indicateurs de charge

La mise en charge des batteries est une opération primordiale pour que les batteries conservent leurs caractéristiques initiales. On peut évaluer dans certains cas le niveau de charge d'une batterie en mesurant sa tension à vide (sans charge).

Dans le cas de techniques plus récentes, comme le NiMh ou le Lithium, des méthodes plus élaborées sont nécessaires pour vérifier le niveau de charge, ce qui nécessite l'utilisation de chargeurs adaptés. Pour ces techniques, les chargeurs évaluent le taux de charge en surveillant l'évolution de la tension de charge et en prenant en compte le courant de charge et le temps, (${\frac {d_{v}}{d_{t}}}$ ou ${\frac {d_{v}^{2}}{d_{t}^{2}}}$).

Pour une batterie au plomb de tension nominale 12 V :

• une batterie bien chargée a une tension supérieure à 12,6 V ;
• une batterie sous 12,4 V peut être mise en charge ;
• une batterie à 11,7 V est totalement déchargée ou en mauvais état.

Pour une batterie lithium-polymère, chaque cellule a une tension nominale de 3,7 V :

• une cellule bien chargée a une tension supérieure à 4,1 V ;
• une cellule à 3 V doit être rechargée ;
• une cellule sous 2,7 V est totalement déchargée ou en mauvais état et n'est souvent plus rechargeable.

Quand une batterie lithium-polymère est composée de plusieurs cellules (cas fréquent), et il est recommandé de ne pas avoir un écart de tension entre les cellules qui dépasse 0,5 V.

Temps de charge, rendement et capacité

Chargeur de batterie auto, avec indication du courant de charge.

• La durée de charge peut être approximativement calculée en fonction du courant de charge et de la capacité de la batterie : pour une batterie neuve totalement déchargée : capacité (en A.h) = courant de charge (en A) x temps de charge (en h).
• Le rendement de charge (énergie stockée / énergie injectée pour la charge de la batterie) est inférieur à 1, en particulier en raison de la résistance interne à la batterie ; ce rendement dépend de l'intensité de courant utilisée pour la charge, il décroît quand l'intensité croît.
• La capacité doit être divisée par les facteurs de dépréciations en température (DT) et en charge/décharge (Dch).

Par exemple, DT = 0,01053 T + 0,73671 pour des batteries plombs. (DT > 1 si T > 25 °C ; DT < 1 si T < 25 °C). De même, Dch = 20/30 par exemple si le courant nominal de charge est de 20 A alors que le courant de décharge maximum est de 30 A (cas des charges rapides).

Régénération

Les batteries plomb ouvert (chariots élévateurs, nacelles, etc.) ont une durée de vie limitée à environ 1 500 cycles. Lors du stockage et de la restitution de l'énergie au cours de cycles d'utilisation normaux, des cristaux de sulfate s'accumulent graduellement sur les électrodes, empêchant la batterie de fournir efficacement du courant. Les cristaux « étouffent » en fait la batterie. Même une charge de désulfatation n'empêche pas toujours que l'on doive remplacer la batterie après quelques années.

La sulfatation est une des causes de vieillissement d'une batterie au plomb qui est restée déchargée pendant un certain temps avant la recharge, mais il y a aussi un autre facteur de vieillissement qui est la transformation au cours des cycles de charge/décharge de la matière active de l'électrode positive. Celle-ci est constituée de dioxyde de plomb PbO₂ qui cristallise sous deux formes différentes (α-PbO2 et β-PbO2) dont une forme est constituée de petits cristaux, elle se transforme au cours des cycles en l'autre forme dont les cristaux sont plus gros, ce qui génère un gonflement de l'électrode qui se désagrège.

Impact carbone

L’Institut suédois de recherche environnementale (IVL) publie en 2017 un rapport sur l'impact environnemental des batteries : elle estime que leur production engendre de 150 à 200 kg de CO₂ par kilowatt-heure de capacité ; une batterie de 30 kWh engendrerait donc entre 4,5 et 6 tonnes de CO₂ tandis qu’une batterie de 100 kWh comme celle qui équipe la Tesla Model S P100D correspondrait à la production de plus de 17 tonnes de CO₂. L'IVL souligne cependant la forte disparité des mix énergétiques selon les pays : 162 kWh d’électricité étant nécessaires par kWh de batterie fabriquée, celle-ci peut représenter jusqu'à 70 % du CO₂ émis lors de la production ; avec un mix électrique entièrement décarboné comme en Suède, cet impact carbone serait réduit de 60 %. Malgré cela, la recherche d'une autonomie maximale avec des batteries de grande capacité contribuerait significativement au réchauffement climatique.

Recyclage

Matériaux de recyclage de batteries.

Batteries au plomb

Les batteries au plomb peuvent être recyclées : la plupart de leurs composants peuvent être réutilisés en fin de vie, par exemple le plastique, l'acide et les plaques de plomb. Au sein de l'usine de recyclage, le plastique du boîtier sera ainsi séparé du plomb des plaques et de l'acide de l'électrolyte. Ensuite, le plomb est fondu dans un four et réutilisé pour fabriquer de nouvelles plaques.

Le plastique de son côté est également fondu et sert à confectionner de nouveaux boîtiers. Enfin, l’acide sulfurique est contrôlé, car il causerait de graves dommages s’il se retrouvait dans l’atmosphère. Il va servir lui aussi ultérieurement lors de la fabrication de batteries neuves.

Ainsi, tout est recyclé et les pertes dans l’environnement sont très faibles, à condition qu'elles soient déposées dans des endroits prévus à cet effet : les mairies, décharges, magasins spécialisés dans l'automobile ou le matériel industriel, ou certains ferrailleurs (contre rémunération) peuvent s'en charger. Au Québec, les écocentres (centres municipaux de recyclage) offrent généralement ce service gratuitement.

Batteries lithium-ion

Pour les batteries lithium-ion, en 2019 certaines entreprises comme la SNAM sont capables de recycler « plus de 70 % » des batteries. Les 20 % à 30 % restants « sont détruits, brûlés et à la fin il reste 2 % qui sont enfouis ».

Standardisation

Certaines parties prenantes chinoises souhaitent standardiser les batteries dans le but d'en faciliter l'échange standard.

Voir aussi

Articles connexes

• Accumulateur électrique
• Chargeur de batterie