Rappel de principe de fonctionnement des batteries
La batterie ou principe d’un élément de stockage d’énergie repose sur la réaction chimique de deux couples oxydo-réducteur (Ox1/Red1 et Ox2/Red2). Lorsqu’on met une charge (résistance par exemple) entre les électrodes, des électrons circulent de l’électrode négative ou anode vers l’électrode positive ou cathode. Le manque d’électrons de l’anode crée une réaction d’oxydation et le surplus d’électrons sur la cathode vont produire une réaction de réduction à l’interface électrochimique.
Les stockages d’énergie électrochimiques rechargeables ont des systèmes redox réversibles, l’élément peut donc soit fournir, soit accumuler de l’électricité d’où le nom accumulateur. A la différence d’une pile, un accumulateur permet la conversion réversible d’énergie électrique en énergie chimique. En charge, l’énergie électrique est transformée et stockée sous forme d’énergie chimique, via des réactions d’oxydoréduction. Au contraire, lorsque l’élément fonctionne en mode générateur ou en présence de charge, l’énergie chimique est convertie en énergie électrique, et les réactions inverses se produisent au niveau des électrodes.
GRANDEURS CARACTERISTIQUES
Une technologie de batterie est caractérisée par plusieurs grandeurs tels que :
Les capacités
La capacité de stockage C
La capacité de stockage C représente la quantité de charge Q qu’il est possible d’obtenir lors d’une décharge complète de la batterie, initialement chargée, avec un courant constant.
La quantité de charge Q est la quantité d’électricité que ce générateur peut offrir ou capter en respectant les conditions particulières : tension et courant, limite de charge et décharge, température de la batterie.
La capacité de stockage massique
C’est la quantité d’électricité stockée par gramme ou kilogramme de matériau actif dans l’électrode, elle s’exprime en mAh.g⁻¹ ou Ah.kg⁻¹ . Cette capacité peut être déduite du nombre d’électrons échangés par gramme de matériau au niveau des électrodes. Ainsi, il s’agit d’une caractéristique fondamentale des matériaux constitutifs des électrodes.
La tension
La tension d’un accumulateur est la tension de la batterie à vide, exprimée en volts. Elle varie selon le couple d’électrodes utilisées. Elle est définie comme la différence des potentiels d’équilibre entre les deux électrodes.
Les énergies
– L’énergie stockée : C’est le produit de la capacité par la tension de l’élément, elle s’exprime en Wh ;
– La densité d’énergie massique : C’est la quantité d’énergie stockée par unité de masse d’accumulateur, elle s’exprime en Wh.kg⁻¹;
– La densité d’énergie volumique : C’est la quantité d’énergie stockée par unité de volume d’accumulateur, et s’exprime classiquement en Wh.l⁻¹.
Les rendements ou efficacités
Le rendement faradique
Il représente l’efficacité de la recharge. Ainsi, une efficacité faradique proche de 100% est recherchée afin de ne pas perdre trop d’énergie entre la charge et la décharge des éléments. Une batterie ayant un rendement faradique égale à 100% peut être considérée comme idéale. En effet, dans les batteries à électrolyte aqueux, à part la réaction principale ; les réactions aux électrodes sont concurrencées par des réactions secondaires. Ces réactions secondaires représentent des courants de fuite importants notamment lors des charges, le rendement est alors inférieur à 100%.
Effet non linéaire de la batterie
Contrairement aux piles non rechargeables, les batteries n’ont pas de courbe de charges ou de décharges linéaires, ce non linéarité est dû à la complexité de la structure des accumulateurs.
Effet mémoire
L’effet mémoire est un phénomène à la fois physique et chimique qui touche principalement les performances des accumulateurs à base de nickel. Observé pour la première fois par la NASA sur les satellites en orbite autour de la terre, ces satellites tournent avec une période parfaitement déterminées alors ils ont des phases d’éclairement/obscurités extrêmement constant et de durées toujours identiques. Les batteries subissent alors un cycle décharge/charge identique.
L’équipe de la NASA a constaté qu’au bout de quelque cycle de charge/décharge, les batteries ne pouvaient plus être déchargées en-dessous d’une certaine tension identique comme si ce seuil avait été « mémorisé » par la batterie, c’est l’origine du phénomène de « l’effet mémoire ».
En réalité, il est dû à une modification chimique de l’accumulateur (modification de la structure cristalline de l’alliage Ni-cd ou Ni-MH) lorsqu’à la fin de sa charge, l’accumulateur n’est pas encore enlevé de son chargeur.
Avec l’utilisation des chargeurs intelligents qui préviennent la surcharge, on peut toujours éviter l’effet mémoire.
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