La physique pour les nuls : les batteries

Chers lecteurs, maintenant que les watt et les ampère-heure n’ont plus de secrets pour vous, passons au concret : les batteries. Si vous avez raté le premier épisode, ou n’avez pas encore regardé les vidéos de « C’est pas sorcier », je vous invite à (re-)lire l’article La physique pour les nuls : ampères, volt… watt else ?

Les vidéos sus-mentionnées expliquent le fonctionnement des batteries, donc je vais juste me contenter d’en indiquer les principales caractéristiques et de les comparer.

Les caractéristiques importantes

La tension

La tension (en volt) est un paramètre important. Elle dépend du potentiel d’oxydo-réduction des éléments qui composent chaque accumulateur (pile). Elle est de l’ordre de 1 à 3 volts pour un élément. Comme on a besoin de tensions plus élevées pour faire avancer un vélo, typiquement 24, 36, 48 V (sur circuit certains ont testé 72 et 96V !), il suffit de raccorder des accumulateurs en série au sein d’une batterie. C’est sans aucun doute l’origine du terme « batterie » comme synonyme courant d’« accumulateur » et, en anglais, de « pile » ; toutefois certains évoquent une autre source étymologique possible : l’effet de choc d’un courant électrique, comme si l’appareil électrique « battait » celui qui reçoit la décharge.

La capacité : l’énergie stockée

C’est la « taille du réservoir », en watt-heure (Wh) ou ampère-heure (Ah) que multiplie la tension.

Le débit maximum

C’est le courant de pointe qui se mesure en ampère. Il est généralement spécifié en amplitude et en durée (par exemple 40A pendant 10 secondes) et est généralement largement supérieur au débit permanent autorisé.

Suivant les applications, on a besoin de pointes de courant élevées, par exemple le démarrage du véhicule électrique.

L’impédance : la résistance interne

C’est une résistance parasite qui provoque une chute de tension en décharge et, par conséquent, limite le courant. Ce que l’on retiendra, c’est d’avoir une résistance interne pas trop pénalisante, et que cette résistance varie avec la température. En hiver elle est beaucoup plus importante = ça roule moins vite, il faut protéger la batterie du grand froid.

Courant de recharge maximum

Le courant maximum supportable pendant la recharge est indiqué en ampère (A), mais est souvent exprimé en unité de charge (C), c’est-à-dire rapporté à la capacité. Une valeur de 0,5C correspondant à 10A pour une batterie d’une capacité de 20Ah, donc à une charge de 2 heures.

Certains accumulateurs n’acceptent pas des recharges rapides, maximum = 0,1C. D’autres encaissent sans broncher du 5C.

Plus la charge est lente, mieux c’est pour la chimie interne des accumulateurs. Avoir une batterie acceptant une forte charge s’avère utile sur des applications mobiles où l’on n’a pas toujours le temps de faire des arrêts prolongés. Il faut bien choisir la technologie de batterie et dimensionner la puissance du chargeur (sur secteur, sur panneaux solaires…).

La densité massique

C’est la quantité d’énergie par rapport à sa masse, exprimée en Wh/kg. Pour une même capacité embarquée, plus la densité est élevée, plus la batterie sera légère.

Vieillissement et usure

Le vieillissement et l’usure entraînent une perte progressive de la capacité des batteries dans le temps et selon l’usage (plusieurs centaines ou milliers de cycles de charge et de décharge). Ils sont souvent fortement dépendant des conditions d’emploi (amplitude du cyclage, température de stockage et d’utilisation).

Si l’on vide complètement la batterie à chaque utilisation, puis qu’on la charge complètement, l’amplitude du cycle est maximale et la batterie durera moins longtemps. Alors que si l’on fait en sorte de ne jamais vider la batterie et jamais la remplir à fond, elle vivra plus longtemps.

 

Les différentes technologies de batteries

Au plomb (Pb)

Le plomb est polluant, mais ces batteries ce recyclent facilement.
Durée de vie très variable suivant l’utilisation et courte (50 à 500 cycles).
Qu’elles soient à électrolyte liquide ou gel elle ne possèdent presque que des inconvénients en plus d’être dangereuses : elles ont besoin d’acide pour fonctionner et elles émanent de l’hydrogène à la recharge… ça pète !
Densité massique : 40 Wh/kg, soit 25 kg pour 1kWh

Nickel-Cadmium (NiCd)

Le cadmium est très polluant et possède un effet-mémoire. Sur ce dernier point, je ne rentre pas dans les détails, mais c’est pas top.
Support des fortes décharges (jusqu’à 100C) mais se déchargent naturellement assez vite… c’est ballot !
Densité massique : 60 Wh/kg, soit 16.7 kg pour 1 kWh

Nickel-Metal-Hydrure (NiMH)

On progresse : une batterie NiMH n’a que très peu d’effet mémoire, ne contient ni cadmium ni plomb et est donc peu polluante. De plus, son énergie massique est supérieure de 40 % à celle d’une NiCd.
Ce type de batterie à été monté sur les premiers vélos électriques mais une nouvelle technologie (lithium) est arrivée sur le marché.
Densité massique : 85 Wh/kg, soit 11.8 kg pour 1 kWh

Lithium-Ion, Lithium-Polymère

Les accumulateurs à base de lithium sont d’une technique récemment mise au point et en cours de développement.
Leur plus grand avantage : elles sont plus légères.
Il existe 3 sortes principales d’accumulateurs lithium :

  • lithium métal, où l’électrode négative est composée de lithium métallique (matériau qui pose des problèmes de sécurité).
  • lithium-ion (LiIon) où l’électrolyte est liquide, ils sont assez dangereux en cas de perte d’électrolyte, et nécessitent des métaux toxiques comme le cobalt, le manganèse. Risque d’incendie/explosion sans prévenir !
  • lithium polymère (LiPo), alternative aux accumulateurs lithium-ion, délivrant un peu moins d’énergie, d’une moins grande durée de vie, mais sont un peu plus sûrs (gonflent avant d’exploser) et plus légers (sont renfermées dans un « sac » au lieu d’un cylindre métallique).

Ces batteries présentant des risques d’explosion ou d’incendie en cas de trop forte charge ou décharge, elle doivent impérativement être protégées par un BMS (Battery Management System), qui représente 20% du coût, et peut claquer… Le BMS doit être de bonne qualité et d’une fiabilité parfaite.
Sur les voitures électriques, les BMS sont aussi dotés d’une électronique très poussée, capable par exemple d’ignorer une cellule défaillante, détecter des défaillances de température, etc…
Pour les batteries de vélos, les BMS sont largement plus léger et moins intelligents, mais du moment qu’ils font le job minimal et assurent la sécurité…

Lithium-fer-phosphate (LiFePO4)

C’est une version récente du lithium-ion, y’a sûrement encore des progrès à faire.
Ces batteries sont moins chères et moins polluantes car elles utilisent du phosphate de fer à la place du cobalt.
Elles sont bien plus résistantes aux mauvais traitements et n’explosent pas. Il paraît que leur durée de vie est plus grande mais a-t-on assez de recul pour le confirmer ?
Il n’y a pas que des avantages : elles sont un peu plus lourdes, densité massique 115 Wh/kg (contre 135 pour du lithium-ion en moyenne), soit 8.7 kg pour 1 kWh.
Bien que moins chères à fabriquer elles ne sont pas encore vraiment moins chères à la vente à cause d’une production moins importante, et l’import de batteries chinoises réserve parfois des surprises.

Après quelques déboires connus par la communauté des cyclistes assistés électriquement (technologie récente, on essuie les plâtres…), Guillaume de declic-eco.fr a décidé d’importer les pièces de son choix (les cellules, les BMS) et de réaliser lui-même le montage des packs. C’est du boulot, mais la qualité est au rendez-vous !

Montage de batteries à la chaîne, élevage en batterie
Montage de batteries à la chaîne, en série, élevage en batterie 🙂

Les lithium-fer-phosphate se trouvent sous 2 formes :

  • les sacs comme tous les autres lithium-ion, légers, forme adaptable (9 à 10 kg pour 1 kWh)
  • les cylindres métalliques (photo ci-dessus), bien plus robuste mais plus lourds (13 kg pour 1 kWh).

La recherche continue…

  • Lithium métal polymère (LMP) durée de vie annoncée de 10 ans. Densité massique 260Wh/kg, soit 3.8 kg pour 1 kWh ! …mais fonctionnement optimal en chauffant à 85°C. Les Blue Car de Bolloré (réseau Autolib à Paris) en sont équipées.
  • Lithium-titanate, durée de vie annoncée de 10 ans. Recharge très rapide mais poids triple des lithium-ion. Développée par Toshiba.
  • Lithium air, densité imbattable car utilise l’oxygène de l’air ambiant, mais corrosion, besoin de filtre, faible débit maximum

 

Disponibilité du lithium

À l’avenir, certains craignent que le lithium bon marché vienne à manquer car, s’il est très abondant sur Terre, les sites où il est facile (et donc peu coûteux) à extraire sont rares. Plus de 75 % de la production vient des salars d’Amérique du Sud.

Une augmentation des coûts du lithium aurait un impact sur le coût des batteries et mettrait en danger son application au véhicule électrique. Mais la production de véhicules électriques ne fera qu’accroître la demande et donc augmenter le coût du lithium… cercle vicieux ! Comme dans tous les domaines, il faut trouver le meilleur compromis.

Je suis opposé à la voiture électrique de 1500 kg si elle ne sert qu’à transporter une personne et ses bagages sur 100 km en utilisant 30 kWh alors qu’un vélo électrique + chargement + pilote = 150 kg, ne consomme qu’1 kWh pour la même distance, et un panneau solaire peut suffire pour rouler en autonomie.

J'aime, je partage ! *** If you like it, share it!
Share on Facebook
Facebook
Share on Google+
Google+
Tweet about this on Twitter
Twitter
Pin on Pinterest
Pinterest
Share on LinkedIn
Linkedin
Share on VK
VK