Revue des types de batteries

Cet article répondra aux questions suivantes :

• Qu’est-ce qu’une batterie?
• Quelles sont les caractéristiques techniques les plus importantes à connaitre d’une batterie?
• Quels sont les types de batteries les plus communs?
• Quels sont les paramètres qui influencent la durée de vie d’une batterie?
• Quels sont les paramètres qui influencent la capacité d’une batterie?
• Quel est le meilleur type de batterie?

Qu’est-ce qu’une batterie?

Une batterie standard est composée de deux électrodes (une anode et une cathode) et d’un électrolyte. L’anode est chargée négativement et la cathode est chargée positivement. L’électrolyte quant à lui varie selon le type de batterie et a comme fonction de faire circuler les ions d’une électrode à l’autre. Les ions permettent la circulation des électrons à l’intérieur de l’électrolyte, ces derniers étant responsables de la génération d’un courant électrique.

Cela dit, lorsqu’on applique une tension électrique aux bornes des électrodes, un courant électrique s’établit et créer des réactions chimiques à la surface des électrodes et dans l’électrolyte. Durant la décharge, les plaques positives consomment des électrons (réaction de réduction) et les plaques négatives libèrent des électrons (réaction d’oxydation). À l’opposé, lors la charge, les plaques positives libèrent des électrons (réaction d’oxydations) et les plaques négatives consomment des électrons (réaction de réduction). Le produit de ses échanges d’électrons est la génération d’un courant électrique.

Quelles sont les caractéristiques techniques les plus importantes à connaître d’une batterie?

Savoir reconnaitre les différentes caractéristiques techniques d’une batterie est fort utile lorsque vient le temps de concevoir un système de production d’énergie renouvelable. Mise à part les dimensions et le poids, les caractéristiques techniques les plus utiles à connaitre sont :

• Le voltage
• La capacité
• La cyclabilité
• La profondeur de décharge maximale suggérée

Le voltage est la différence de potentiel entre les deux électrodes de la batterie, soit l’équivalent de la force du courant électrique. Les voltages les plus fréquents sont de 6V, 12V, 24V et de 48V. Sachant que le produit du voltage par l’ampérage est la puissance (Voltage * Ampérage = Puissance), plus le voltage d’une batterie est élevé, moins grand est l’ampérage qu’elle doit fournir pour livrer une puissance donnée. Cela implique donc que l’électrolyte d’une batterie a plus haut voltage sera moins sollicité lors de sa décharge (dû à un plus faible ampérage) ce qui fait en sorte qu’il aura une plus grande durée de vie. L’acquisition de batteries à plus grand voltage est donc suggérée, bien que leur coût d’achat soit supérieur à celui des batteries à plus faible voltage.

La capacité correspond à la quantité d’énergie stockable par la batterie. Elle est exprimée en ampère-heure (Ah) et dépend des caractéristiques intrinsèques des matériaux qu’elle contient. Elle varie généralement de 50 à 1500 Ah par batterie, bien que des centaines de modèles différents existent. Plus une batterie a une capacité élevée, plus grande est l’autonomie énergétique qu’elle procure. Dans la même logique que pour le voltage, l’acquisition de batteries à plus grande capacité est suggérée, bien que leur coût d’achat soit supérieur à celui des batteries à plus faible capacité.

La cyclabilité se définit comme étant la quantité de cycles de charge/décharge que la batterie peut supporter, un cycle étant la charge et la décharge complète de l’appareil. Cette information est fournie par le fabricant et est généralement présentée sous forme de garantie. Plus la cyclabilité est élevée, plus grande est la durée de vie d’une batterie. À titre d’exemple, en supposant qu’un cycle de charge/décharge est effectué quotidiennement, une batterie garantie pour 500 cycles a une durée de vie d’environ 1.37 ans (500 cycles ÷ 365 cycles/an = 1.37 ans).

La profondeur de décharge maximale suggérée fait référence au rapport entre la quantité d’énergie déchargée et la quantité d’énergie restante dans la batterie. Une profondeur de décharge de 75% signifie que 75% de l’énergie de la batterie a été puisée et que 25% sont encore disponibles. Pour la majorité des types de batterie, une décharge trop profonde (> 75%) est déconseillée étant donné que cela accélère le processus de dégradation de l’électrolyte. Il faut donc regarder la profondeur de décharge maximale conseillée par le fabricant pour savoir combien d’énergie est disponible par batterie.

Quels sont les types de batteries les plus communs?

Bien qu’une multitude de types de batteries soient à l’essai à l’heure actuelle, les types de batteries les plus communes en Amérique du Nord sont les batteries Plomb-Acide, les batteries AGM, les batteries au Gel et les batteries Lithium-Ion. Chacun de ces types seront expliquées et comparés les uns par rapport aux autres.

Les batteries Plomb-Acide :

Les batteries Plomb-Acide sont des batteries dont les électrodes sont faites de plomb et dont l’électrolyte est composé d’acide sulfurique et d’eau (35% d’acide sulfurique et 65% d’eau). Ce type de technologie est le plus répandu dans l’industrie étant donné qu’elle est l’option la plus économique.

Avantages :

• Elles ont une capacité qui est suffisante pour la majorité des applications énergétiques.
• Elles sont fiables (étant donné leur maturité technologique).
• Elles sont l’option la plus économique.
• Elles sont recyclables à 98%.
• Elles n’ont pas d’effet mémoire.

Désavantages :

• Elles ont une faible densité énergétique face aux autres types de batteries. Cela implique que pour une même capacité, le poids et le volume d’une batterie plomb-acide seront beaucoup plus élevés qu’un autre type de batterie. Elles ne sont donc pas conseillées pour des applications où l’espace et/ou le poids sont des facteurs limitants.
• Le fait que la batterie n’est pas scellée fait en sorte que l’électrolyte est plus fragile face aux températures extrêmes. Ce dernier peut s’évaporer lorsqu’il fait trop chaud ou geler lorsqu’il fait trop froid. Dans les deux cas, l’électrolyte se dégrade et devient moins efficace.
• Elles sont fragiles face aux intensités de charge/décharge élevées.

Les batteries AGM (Absorbed Glass Mat):

Les batteries AGM sont des batteries Plomb-Acide qui sont scellées et où l’électrolyte est absorbé dans de la fibre de verre. Le choix de cette absorption s’explique par deux faits. Premièrement, la fibre de verre est un matériau ultra absorbant qui créer une batterie à l’épreuve des déversements et des fuites d’acide lorsqu’elle est basculée sur le côté (au contraire des batteries Plomb-Acide). Ainsi, les batteries AGM ne requièrent aucune maintenance lorsqu’elles ont été déplacées. Deuxièmement, la fibre de verre offre une plus faible résistance électrique, ce qui favorise le flux du courant entre les électrodes de la batterie et occasionne un transfert électrique plus efficace. Une meilleure efficacité se traduit par une plus grande quantité d’énergie est donc disponible par batterie.

Avantages (face aux batteries plomb-acide) :

• Elles sont moins affectées par les températures extrêmes.
• Elles ont une meilleure efficacité.
• Elles nécessitent aucune maintenance.
• Leur vitesse de recharge est cinq fois supérieure.
• Elles tolèrent mieux les intensités des courants de charge/décharge élevées.
• Elles n’ont pas d’effet mémoire.

Désavantages (face aux batteries plomb-acide) :

• Elles ont une durée de vie inférieure à celle des batteries au plomb-acide.
• Elles sont plus fragiles face à la surcharge et aux décharges profondes.
• Elles sont plus dispendieuses.

Les batteries au Gel :

Les batteries au gel (aussi appelées batteries au silicone) ressemblent aux batteries AGM, la seule différence étant qu’on a ajouté de la silice dans l’électrolyte pour qu’il soit sous forme de gel visqueux plutôt que sous forme liquide. La performance des batteries au gel est assez similaire à celle des batteries AGM. Il en vient au consommateur de choisir ce qu’il préfère entre les batteries AGM ou au gel.

Avantages :

• Elles sont encore moins affectées par les températures extrêmes que les batteries AGM (surtout par les températures chaudes).
• Elles ont une meilleure efficacité que les batteries AGM lorsque les intensités des de courants de charge/décharge sont faibles.
• Elles sont capables de tolérer des grandes profondeurs de décharge (jusqu’à 80 %).
• Elles nécessitent aucune maintenance.
• Elles n’ont pas d’effet mémoire.

Désavantages:

• Elles sont plus dispendieuses que les batteries AGM.
• Elles sont plus fragiles face aux intensités de courant de charge/décharge élevées.
• Elles doivent absolument se faire recharger par un chargeur fait pour les batteries au gel sinon l’électrolyte se dégradera très rapidement et la batterie devra être remplacée.

Les batteries Lithium-Ion :

Contrairement aux trois technologies de batteries expliquées précédemment, les batteries au lithium-ion n’ont pas une seule combinaison d’éléments possibles. En effet, certaines combinaisons d’éléments sont meilleures pour supporter des intensités de courants de décharges élevées (LiFePO₄) alors que d’autres combinaisons ont des capacités prometteuses (Ni-Li). Néanmoins, plusieurs combinaisons sont encore à l’essai en laboratoire et ne seront commercialisées que dans plusieurs années.  La combinaison la plus commune à l’heure actuelle est la LiCoO₂, soit celle où l’anode est faite de graphite, la cathode est faite d’oxyde de cobalt et où l’électrolyte est composé d’ions métalliques.

Les batteries au Lithium-ion sont de plus en plus populaire étant donné qu’elles offrent la plus grande capacité et la plus grande résistance face aux décharges profondes.

Avantages :

• Elles ont une densité énergétique beaucoup plus élevée que tous les autres types de batteries.
• Elles sont les plus résistantes face aux grandes profondeurs de décharge (peuvent tolérer jusqu’à 100% de décharge).
• Elles sont les plus résistantes aux grandes intensités de décharge.
• Elles ont le plus faible pourcentage d’autodécharge.
• Elles n’ont pas d’effet mémoire.
• Leur durée de vie est la plus élevée de tout les types de batteries.

Désavantages :

• Elles sont la technologie de batterie la plus coûteuse de tous les types de batteries (dû aux nombreux avantages qu’elle procure ainsi qu’à la nouveauté de la technologie).
• Le fait que la technologie est immature à l’heure actuelle fait en sorte que les batteries lithium-ion n’ont parfois pas des performances constantes sur l’ensemble de leur durée de vie
• Elles sont plus difficiles d’accès étant donné leur faible popularité dû à leur coût très élevé.
• Leur structure n’est pas aussi robuste que celle des trois autres types de batteries décrites précédemment.

Quels sont les facteurs qui influencent la durée de vie d’une batterie?

Mise à part leur coût élevé, l’un des principaux défauts des batteries est leur faible durée de vie. En effet, même dans les meilleures conditions possibles, la durée de vie maximale d’une batterie est d’environ 5 ans, quoique la garantie moyenne ne dépasse jamais les 2 ans. Cela est causé par le dégradation graduelle de l’électrolyte au fil du temps, qui finira par atteindre un stade d’irréversibilité.

Cela dit, plusieurs facteurs peuvent aussi diminuer la durée de vie d’une batterie. Être en mesure de comprendre ces facteurs est donc primordial pour quiconque désirant optimiser la durée de vie de ses batteries. Ces facteurs sont :

• La température du lieu d’entreposage
• La profondeur des décharges moyennes

La température du lieu d’entreposage fait référence à la température de l’endroit où les batteries sont entreposées. La température d’entreposage recommandée par tout fabricant est de 25 °C (77°F), et ce, peu importe le type de batterie. Une température trop froide (< 0 °C) occasionnera le gel de l’électrolyte alors qu’une température trop chaude (> 30°C) causera une dégradation accélérée de l’électrolyte. La figure ci-dessous montre l’effet des températures chaudes sur la durée de vie d’une batterie au plomb-acide standard. Il est à noter que cette tendance est également observable pour les températures froides et pour tout type de batterie.

Comme mentionné précédemment, la profondeur des décharges moyennes fait référence au rapport entre la quantité d’énergie déchargée et la quantité d’énergie restante dans la batterie. Plus grandes sont les profondeurs de décharge, moins grande sera la cyclabilité d’une batterie étant donné que la dégradation de l’électrolyte sera accélérée. La figure ci-dessous montre cet effet pour une batterie plomb-acide standard. Encore une fois, ce phénomène est observable pour tout type de batterie.

Quels sont les facteurs qui influencent la capacité d’une batterie?

Dans la même logique que pour la section précédente, plusieurs facteurs peuvent diminuer la capacité d’une batterie. Ces derniers sont :

• La température du lieu d’entreposage
• L’intensité des courants de charge/décharge

Encore une fois, la température du lieu d’entreposage fait référence à la température de l’endroit où les batteries sont entreposées. La figure ci-dessous montre l’effet de la température sur la capacité d’une batterie. Plus la température est élevée, plus grande est l’énergie utile disponible par batterie.

Il ne faut toutefois pas oublier qu’une température élevée diminue la durée de vie de la batterie. Ainsi, même si la capacité de la batterie augmente avec la température, il n’est tout de même pas judicieux de l’entreposée dans un endroit où la température est supérieure à 25°C.

L’intensité des courants de charge/décharge fait référence à l’ampérage des courants de charge/décharge. Expliqué par l’effet de Peukert, la capacité d’une batterie diminue de manière exponentielle lorsque l’intensité du courant de décharge augmente linéairement. Sachant que l’intensité du courant de décharge induite augmente plus la puissance d’un appareil est élevée et plus le nombre d’appareils en fonction simultanément augmente, la capacité d’une batterie dépend donc de la puissance des appareils qu’elle alimente. Cela veut donc dire que si vous ne voulez pas trop rapidement drainer l’énergie contenue dans vos batteries, il faudra faire attention à la puissance quantité d’appareils que vous décidez de faire fonctionner en même temps. La figure ci-dessous montre la vitesse de décharge d’une batterie plomb-acide (axe des x) face à l’augmentation de l’intensité de son courant de décharge (axe des y). Encore une fois, ce phénomène est applicable pour tout type de batterie.

Quelle est le meilleur type de batterie?

Nous suggérons d’opter pour l’acquisition de batteries lithium-ion à ceux qui en ont les moyens étant donné qu’elles offrent la plus grande capacité, la plus grande résistance face aux décharges profondes ainsi que la plus grande résistance face aux intensités de courants de charge/décharge élevées. De plus, dans les cas où l’espace et le poids sont des facteurs limitants, les batteries lithium-ion sont la meilleure solution. Nous sommes néanmoins conscients que cette technologie est inabordable et qu’un autre type de batterie pourrait aussi bien faire l’affaire.

Pour ceux désirant avoir un système qui ne requiert aucune maintenance, les batteries AGM semblent être le meilleur choix. Elles sont plus dispendieuses que les batteries plomb-acide, mais ont une plus grande résistance aux températures extrêmes ainsi qu’aux intensités de charge/décharge élevées. Les batteries au gel sont également conseillées pour des applications où l’ampérage moyen est faible et où la température ambiante est souvent très élevée (> 30°C).

Finalement, les batteries plomb-acide restent le choix le plus économique et fiable étant donné la maturité de la technologie. Pour ceux désirant d’abord explorer le monde des batteries sans avoir à débourser plusieurs milliers de dollars, les batteries plomb-acide sont un excellent avant-gout.

N’hésitez pas à nous contacter pour obtenir davantage d’information face aux différents types de batteries, il nous fera plaisir de vous aider!

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