Chimie des batteries

Chimie des batteries

Depuis l'avènement de l'ordinateur portable, du smartphone et de la voiture électrique, les batteries font résolument partie de notre quotidien. Oubliez les processeurs plus rapides ou les voitures qui se garent automatiquement, sans une bonne batterie, ils sont sans valeur. 
 
Mais comment fonctionne ce genre de batterie exactement ?
 
La réponse à cette question dépend de la batterie dont vous voulez parler. Une batterie implémente toujours une réaction chimique pour générer sa charge, mais cette réaction dépend justement du type de batterie. Donc :

Quels sont les principaux types de batteries ?

Examinons un peu votre ordinateur portable ou votre GSM. On y trouve (ou trouvait) trois types de batteries : nickel cadmium (NiCad), nickel-hydrure métallique (NiMH) et Lithium-ion (Li-ion). La batterie Lithium-ion est à l'heure actuelle le type le plus populaire. Examinez la batterie de votre ordinateur portable ou de votre smartphone : il est fort probable que ce soit une batterie Li-ion.

Pour ce qui concerne le secteur automobile, les voitures électriques fonctionnent principalement avec des batteries lithium-ion, tandis que les véhicules ordinaires utilisent une batterie plomb-acide.

Quelles sont les principales différences ?

Pour les applications grand public telles que les smartphones, l'autonomie est l'une des principales propriétés. Les batteries de voiture doivent quant à elles pouvoir surtout fournir une haute intensité électrique pour démarrer le véhicule.

Quelles sont les principales différences entre les batteries ?

Capacité : cette valeur est exprimée en wattheures par kilogramme de batterie et indique l'énergie que peut fournir une batterie.
Autodécharge : une batterie perd aussi de sa puissance lorsqu'elle n'est pas utilisée. Certaines batteries (comme les Li-ion) ne perdent quasiment pas de puissance, d'autres (comme les NiCad) perdent énormément de leur énergie stockée lorsqu'elles sont laissées simplement dans le rayon.
Mémoire : certaines batteries peuvent se « rappeler » comment elles sont chargées. Pour être clair : ce n'est pas une bonne propriété. Si vous ne déchargez pas complètement des batteries NiCad avant des les recharger, elles fourniront du courant moins longtemps la fois suivante. On doit cela à une réaction chimique qui forme des cristaux dans la batterie. De ce fait, celle-ci perd une partie de sa capacité à générer de l'énergie.

Le nombre de cycles : indique le nombre de charges possibles d'une batterie avant qu'elle ne fonctionne plus. Un type offre de meilleurs résultats que l'autre. Les batteries NiMH ne fonctionnent par exemple que pendant 500 cycles environ. Ce n'est pas du tout conseillé pour un ordinateur portable.
 
Pourquoi trouve-t-on tant de batteries Li-ion dans nos appareils ?

On trouve des batteries Li-ion notamment dans les ordinateurs portables, les smartphones et les véhicules électriques.
 
Qu'est-ce qui rend les batteries li-ion si attrayantes par rapport aux autres batteries ?
 
  • Elles disposent d'une grande densité énergétique. Elles peuvent fournir la même énergie qu'une batterie plomb-acide, mais elles pèsent trois fois moins et sont six fois plus petites.
  • Une seule cellule li-ion, produit plus de puissance qu'une cellule de batterie plomb-acide.
  • Elles ne subissent quasiment pas d'effet mémoire.
  • Elles se chargent rapidement.
Quel est donc l'inconvénient dans ce cas ?
 
Elles sont encore trois à quatre fois plus coûteuses que les autres batteries. C'est la raison pour laquelle les constructeurs utilisent encore largement les batteries plomb-acide dans les véhicules habituels. Cependant, le prix diminue.

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Comment fonctionne une batterie ordinaire ?
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Il faut d'abord expliquer comment fonctionne une batterie ordinaire : vous avez une borne positive et une borne négative. La borne positive aime volontiers recevoir des électrons, la borne négative veut s'en débarrasser.
Pour éviter que la batterie se décharge d'elle-même, les ingénieurs ont placé un électrolyte entre les deux pôles. Ainsi, les électrons ne peuvent pas migrer seuls d'un pôle à l'autre.
Quand les électrons peuvent-ils quand même faire le voyage ? Lorsque vous y raccordez un appareil. En raccordant cet appareil, vous donnez aux électrons un chemin pour migrer via l'appareil du pôle négatif au pôle positif. Ils génèrent ainsi un courant que l'appareil peut utiliser et qui va décharger la batterie.
 
Mais comment fonctionne donc une batterie lithium-ion ?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Une batterie lithium-ion est composée de plusieurs cellules et chaque cellule comprend à son tour une sorte de sandwich de différents matériaux. La figure illustre une cellule. Les couches externes de la cellule sont composées d'une plaque d'aluminium et d'une plaque de cuivre (numéros 1 et 6). Elles conduisent l'électricité.

Les couches suivantes sont la cathode (pôle positif, numéro 2) et l'anode (pôle négatif, numéro 5). Dans le cas d'une batterie Li-ion, la cathode est composée d'un oxyde de lithium et l'anode est fabriquée par exemple en graphite.
Entre la couche de lithium et de graphite, il y a encore un électrolyte (numéro 3) et une couche de séparation (numéro 4) qui ne laisse rien passer, sauf de petits ions de lithium.
Lorsque la batterie de votre smartphone est chargée, les ions de lithium positifs sont fixés sur la couche de graphite. Mais ils ne s'y plaisent pas : ils préfèreraient se trouver sur la couche de lithium.
Lorsque vous connectez un appareil, il se passe deux choses : tout d'abord, les électrons trouvent une issue et migrent via l'appareil vers la borne positive. Ils génèrent ainsi un courant, avec lequel vous pouvez jouer à Candy Crush. Ensuite, les ions de lithium se détachent du graphite et traversent l'électrolyte et la couche de séparation vers la couche de lithium.
Une fois que tous les ions de lithium ont migré vers le pôle positif, la batterie est vide. La recharge de la batterie provoque le mouvement inverse et tous les électrons et les ions de lithium sont forcés de retourner vers le pôle négatif. Prêtes pour un nouveau cycle de charge.
 

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