Pile électrique

Une batterie électrique est une source d’ énergie électrique constituée d’une ou plusieurs cellules électrochimiques avec des connexions externes ^[1] pour alimenter des appareils électriques .

Batterie

Symbole électronique
Diverses piles et batteries (en haut à gauche en bas à droite) : deux AA , une D , une batterie de Radioamateur portable , deux 9 volts (PP3), deux AAA , une C , une batterie de caméscope , une batterie de Téléphone sans fil
Taper	Source d’énergie
Principe de fonctionnement	Réactions électrochimiques , Force électromotrice
Première fabrication	1800
Le symbole d’une pile dans un schéma de circuit . Il est né d’un dessin schématique du premier type de batterie, une pile voltaïque .

Lorsqu’une batterie fournit de l’énergie, sa borne positive est la cathode et sa borne négative est l’ anode . ^[2] La borne marquée négative est la source d’électrons qui circuleront à travers un circuit électrique externe vers la borne positive. Lorsqu’une batterie est connectée à une charge électrique externe, une réaction redox convertit les réactifs à haute énergie en produits à faible énergie, et la différence d’énergie libre est fournie au circuit externe sous forme d’énergie électrique. ^[3] Historiquement, le terme « batterie » faisait spécifiquement référence à un appareil composé de plusieurs cellules ; cependant, l’utilisation a évolué pour inclure des dispositifs composés d’une seule cellule. ^[4]

Les piles primaires (à usage unique ou “jetables”) sont utilisées une seule fois et jetées , car les matériaux des électrodes sont modifiés de manière irréversible pendant la décharge ; un exemple courant est la pile alcaline utilisée pour les lampes de poche et une multitude d’appareils électroniques portables. Les batteries secondaires (rechargeables) peuvent être déchargées et rechargées plusieurs fois à l’aide d’un courant électrique appliqué ; la composition originale des électrodes peut être restaurée par courant inverse. Les exemples incluent les Batteries au plomb utilisées dans les véhicules et les batteries Lithium-ion utilisées pour les appareils électroniques portables tels que les ordinateurs portables et les téléphones mobiles ..

Les batteries se présentent sous de nombreuses formes et tailles, allant des cellules miniatures utilisées pour alimenter les prothèses auditives et les montres-bracelets jusqu’aux énormes banques de batteries de la taille des pièces qui fournissent une alimentation de secours ou de secours pour les centraux téléphoniques et les centres de données informatiques .

Les batteries ont une énergie spécifique (énergie par unité de masse) beaucoup plus faible que les carburants courants tels que l’essence. Dans les automobiles, cela est quelque peu compensé par l’efficacité plus élevée des moteurs électriques dans la conversion de l’énergie électrique en travail mécanique, par rapport aux moteurs à combustion.

Histoire

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Invention

Une pile voltaïque , la première batterie Le physicien italien Alessandro Volta démontrant sa pile à l’empereur français Napoléon Bonaparte

La batterie de Bagdad (vers 150 avant JC – 650 après JC) a été théorisée comme étant un appareil qui contenait du courant électrique, mais cela n’est pas concluant. ^{[ citation nécessaire ]}

Benjamin Franklin a utilisé le terme “batterie” pour la première fois en 1749 lorsqu’il faisait des expériences avec l’électricité en utilisant un ensemble de condensateurs à pot de Leyde liés. ^[5] Franklin a regroupé un certain nombre de pots dans ce qu’il a décrit comme une “batterie”, en utilisant le terme militaire pour les armes fonctionnant ensemble. ^[6] En multipliant le nombre de récipients de maintien, une charge plus forte pourrait être stockée et plus de puissance serait disponible lors de la décharge.

Le physicien italien Alessandro Volta a construit et décrit la première pile électrochimique, la pile voltaïque , en 1800. ^[7] Il s’agissait d’un empilement de plaques de cuivre et de zinc, séparées par des disques de papier imbibés de saumure, qui pouvaient produire un courant constant sur une longueur considérable. de temps. Volta n’a pas compris que la tension était due à des réactions chimiques. Il pensait que ses cellules étaient une source d’énergie inépuisable, ^[8] et que les effets de corrosion associés au niveau des électrodes étaient une simple nuisance, plutôt qu’une conséquence inévitable de leur fonctionnement, comme l’ a montré Michael Faraday en 1834. ^[9]

Bien que les premières batteries aient été d’une grande valeur à des fins expérimentales, ^[10] dans la pratique, leurs tensions fluctuaient et elles ne pouvaient pas fournir un courant important pendant une période prolongée. La pile Daniell , inventée en 1836 par le chimiste britannique John Frederic Daniell , a été la première source pratique d’ électricité , devenant une norme de l’industrie et se généralisant comme source d’alimentation pour les réseaux télégraphiques électriques . ^[11] Il s’agissait d’une marmite en cuivre remplie d’une solution de sulfate de cuivre , dans laquelle était plongé un récipient en terre cuite non émaillée rempli d’acide sulfurique et d’une électrode de zinc. ^[12]

Ces cellules humides utilisaient des électrolytes liquides, qui étaient sujets aux fuites et aux déversements s’ils n’étaient pas manipulés correctement. Beaucoup utilisaient des bocaux en verre pour contenir leurs composants, ce qui les rendait fragiles et potentiellement dangereux. Ces caractéristiques rendaient les cellules humides inadaptées aux appareils portables. Vers la fin du XIXe siècle, l’invention des piles sèches , qui ont remplacé l’électrolyte liquide par une pâte, a rendu pratiques les appareils électriques portables. ^[13]

Les batteries dans les tubes à vide utilisaient historiquement une cellule humide pour la batterie “A” (pour alimenter le filament) et une cellule sèche pour la batterie “B” (pour fournir la tension de la plaque). ^{[ citation nécessaire ]}

Futur

Entre 2010 et 2018, la demande annuelle de batteries a augmenté de 30 %, atteignant un total de 180 Gwh en 2018. De manière prudente, le taux de croissance devrait se maintenir à environ 25 %, culminant avec une demande atteignant 2 600 Gwh en 2030. En outre, les réductions de coûts devraient encore augmenter la demande jusqu’à 3562 GwH. ^[14]

Les raisons importantes de ce taux de croissance élevé de l’industrie des batteries électriques comprennent l’électrification des transports, ^[14] et le déploiement à grande échelle dans les réseaux électriques, ^[14] soutenus par les changements anthropiques induits par le changement climatique loin des sources d’énergie à combustible fossile. à des sources renouvelables plus propres et à des régimes d’émissions plus stricts.

Les batteries électriques distribuées, telles que celles utilisées dans les Véhicules électriques à batterie ( vehicle-to-grid ) et dans le stockage d’énergie domestique , avec des compteurs intelligents et qui sont connectées aux réseaux intelligents pour la réponse à la demande , sont des participants actifs aux réseaux d’alimentation électrique intelligents. ^[15] De nouvelles méthodes de réutilisation, telles que l’utilisation échelonnée de batteries partiellement utilisées, ajoutent à l’utilité globale des batteries électriques, réduisent les coûts de stockage d’énergie et réduisent également les impacts de la pollution/des émissions dues à des durées de vie plus longues. Dans l’utilisation échelonnée des batteries, des batteries électriques de véhiculesdont la capacité de la batterie est réduite à moins de 80 %, généralement après 5 à 8 ans de service, sont réutilisés pour être utilisés comme alimentation de secours ou pour des systèmes de stockage d’énergie renouvelable. ^[16]

Le stockage d’énergie à l’échelle du réseau envisage l’utilisation à grande échelle de batteries pour collecter et stocker l’énergie du réseau ou d’une centrale électrique, puis décharger cette énergie ultérieurement pour fournir de l’électricité ou d’autres services de réseau en cas de besoin. Le stockage d’énergie à l’échelle du réseau (clé en main ou distribué) est un élément important des réseaux d’alimentation électrique intelligents. ^[17]

Chimie et principes

Une Cellule voltaïque à des fins de démonstration. Dans cet exemple les deux demi-cellules sont reliées par un pont salin qui permet le transfert des ions.

Les batteries convertissent directement l’énergie chimique en énergie électrique . Dans de nombreux cas, l’énergie électrique libérée est la différence des énergies de cohésion ^[18] ou de liaison des métaux, des oxydes ou des molécules subissant la réaction électrochimique. ^[3] Par exemple, l’énergie peut être stockée dans Zn ou Li, qui sont des métaux à haute énergie car ils ne sont pas stabilisés par des liaisons d-électrons, contrairement aux Métaux de transition . Les batteries sont conçues de manière à ce que la réaction redox énergétiquement favorable ne puisse se produire que lorsque les électrons se déplacent à travers la partie externe du circuit.

Une batterie est constituée d’un certain nombre de cellules voltaïques . Chaque cellule est constituée de deux demi-cellules connectées en série par un électrolyte conducteur contenant des cations métalliques . Une demi-cellule comprend l’électrolyte et l’électrode négative, l’électrode vers laquelle les anions (ions chargés négativement) migrent ; l’autre demi-cellule comprend l’électrolyte et l’électrode positive, vers laquelle migrent les cations ( ions chargés positivement ). Les cations sont réduits (des électrons sont ajoutés) à la cathode, tandis que les atomes métalliques sont oxydés (les électrons sont éliminés) à l’anode. ^[19]Certaines cellules utilisent des électrolytes différents pour chaque demi-cellule ; puis un séparateur est utilisé pour empêcher le mélange des électrolytes tout en permettant aux ions de circuler entre les demi-cellules pour compléter le circuit électrique.

Chaque demi-cellule a une force électromotrice ( emf , mesurée en volts) par rapport à un étalon . La fem nette de la cellule est la différence entre les fem de ses demi-cellules. ^[20] Ainsi, si les électrodes ont une fem E 1 {displaystyle {mathcal {E}}_{1}} $mathcal{E}_1$ $mathcal{E}_1$ et E 2 {displaystyle {mathcal {E}}_{2}} $mathcal{E}_2$ $mathcal{E}_2$ , alors la fem nette est E 2 − E 1 {displaystyle {mathcal {E}}_{2}-{mathcal {E}}_{1}} $mathcal{E}_{2}-mathcal{E}_{1}$ $mathcal{E}_{2}-mathcal{E}_{1}$ ; en d’autres termes, la fem nette est la différence entre les potentiels de réduction des demi-réactions . ^[21]

La force motrice électrique ou Δ V b un t {displaystyle displaystyle {Delta V_{bat}}} $displaystyle{Delta V_{bat}}$ $displaystyle{Delta V_{bat}}$ aux bornes d’une cellule est connue sous le nom de tension aux bornes (différence) et est mesurée en volts . ^[22] La tension aux bornes d’une cellule qui ne se charge ni ne se décharge est appelée tension en circuit ouvert et est égale à la force électromotrice de la cellule. En raison de la résistance interne ^[23] , la tension aux bornes d’une cellule qui se décharge est inférieure à la tension en circuit ouvert et la tension aux bornes d’une cellule qui se charge dépasse la tension en circuit ouvert. ^[24] Une cellule idéale a une résistance interne négligeable, elle maintiendrait donc une tension aux bornes constante de E {displaystyle {mathcal {E}}} jusqu’à épuisement, puis chute à zéro. Si une telle cellule maintenait 1,5 volt et produisait une charge d’un coulomb , alors en décharge complète, elle aurait effectué 1,5 joule de travail. ^[22] Dans les cellules réelles, la résistance interne augmente sous décharge ^[23] et la tension en circuit ouvert diminue également sous décharge. Si la tension et la résistance sont tracées en fonction du temps, les graphiques résultants sont généralement une courbe ; la forme de la courbe varie selon la chimie et l’arrangement interne employés.

La tension développée aux bornes d’une cellule dépend de la libération d’énergie des réactions chimiques de ses électrodes et de son électrolyte. Les Piles alcalines et zinc-carbone ont des chimies différentes, mais approximativement la même emf de 1,5 volts; de même , les cellules NiCd et NiMH ont des chimies différentes, mais approximativement la même emf de 1,2 volts. ^[25] Les changements de potentiel électrochimique élevé dans les réactions des composés de lithium donnent aux piles au lithium une fem de 3 volts ou plus. ^[26]

Presque tout objet liquide ou humide contenant suffisamment d’ions pour être électriquement conducteur peut servir d’électrolyte pour une cellule. En guise de nouveauté ou de démonstration scientifique, il est possible d’insérer deux électrodes faites de métaux différents dans un citron , ^[27] pomme de terre, ^[28] etc. et de générer de petites quantités d’électricité.

Une pile voltaïque peut être constituée de deux pièces de monnaie (comme un nickel et un penny ) et un morceau de papier essuie -tout trempé dans de l’eau salée . Une telle pile génère une tension très basse mais, lorsqu’elles sont empilées en série , elles peuvent remplacer les piles normales pendant une courte période. ^[29]

Les types

Learn more.

Drapeau de l’Ulster

Jul 14, 2022

Reine femelle (glisser)

Jul 14, 2022

Trident (programme nucléaire britannique)

Jul 14, 2022

Gangwon, Corée du Sud

Jul 14, 2022

Batteries primaires et secondaires

De haut en bas : une grosse pile 4,5 volts 3R12 , une pile D , une pile C , une Pile AA , une pile AAA , une pile AAAA , une pile A23 , une pile 9 volts PP3 et une paire de piles bouton (CR2032 et LR44)

Les batteries sont classées en formes primaires et secondaires :

Les piles primaires sont conçues pour être utilisées jusqu’à épuisement de l’énergie, puis jetées. Leurs réactions chimiques ne sont généralement pas réversibles, elles ne peuvent donc pas être rechargées. Lorsque l’alimentation en réactifs de la batterie est épuisée, la batterie cesse de produire du courant et devient inutile. ^[30]
Les batteries secondaires peuvent être rechargées ; c’est-à-dire qu’ils peuvent voir leurs réactions chimiques inversées en appliquant un courant électrique à la cellule. Cela régénère les réactifs chimiques d’origine, de sorte qu’ils peuvent être utilisés, rechargés et réutilisés plusieurs fois. ^[31]

Certains types de piles primaires utilisées, par exemple, pour les circuits télégraphiques , ont été remis en service en remplaçant les électrodes. ^[32] Les batteries secondaires ne sont pas indéfiniment rechargeables en raison de la dissipation des matières actives, de la perte d’électrolyte et de la corrosion interne.

Les batteries primaires, ou cellules primaires , peuvent produire du courant immédiatement après assemblage. Ceux-ci sont le plus souvent utilisés dans les appareils portables qui ont une faible consommation de courant, ne sont utilisés que par intermittence ou sont utilisés loin d’une source d’alimentation alternative, comme dans les circuits d’alarme et de communication où une autre alimentation électrique n’est disponible que par intermittence. Les piles primaires jetables ne peuvent pas être rechargées de manière fiable, car les réactions chimiques ne sont pas facilement réversibles et les matériaux actifs peuvent ne pas retrouver leur forme d’origine. Les fabricants de batteries déconseillent de tenter de recharger les cellules primaires. ^[33] En général, ceux-ci ont des Densités d’énergie plus élevées que les batteries rechargeables, ^[34]mais les piles jetables ne fonctionnent pas bien dans les applications à forte consommation avec des charges inférieures à 75 ohms (75 Ω). Les types courants de piles jetables comprennent les Piles zinc-carbone et les Piles alcalines .

Les batteries secondaires, également appelées piles secondaires , ou batteries rechargeables , doivent être chargées avant la première utilisation ; ils sont généralement assemblés avec des matières actives à l’état déchargé. Les batteries rechargeables sont (re)chargées en appliquant un courant électrique, qui inverse les réactions chimiques qui se produisent lors de la décharge/utilisation. Les appareils fournissant le courant approprié sont appelés chargeurs. La forme la plus ancienne de batterie rechargeable est la batterie plomb-acide , qui est largement utilisée dans les applications automobiles et nautiques . Cette technologie contient de l’électrolyte liquide dans un récipient non scellé, nécessitant que la batterie soit maintenue verticale et que la zone soit bien ventilée pour assurer une dispersion sûre de l’ hydrogène .gaz qu’il produit lors d’une surcharge . La batterie plomb-acide est relativement lourde pour la quantité d’énergie électrique qu’elle peut fournir. Son faible coût de fabrication et ses niveaux de courant de surtension élevés le rendent courant là où sa capacité (plus de 10 Ah environ) est plus importante que les problèmes de poids et de manutention. Une application courante est la batterie de voiture moderne , qui peut, en général, fournir un courant de crête de 450 ampères .

Composition

Dessin au trait d’une pile sèche : 1. bouchon en laiton, 2. joint en plastique, 3. espace d’expansion, 4. carton poreux, 5. boîte de zinc, 6. tige de carbone, 7. mélange chimique

De nombreux types de cellules électrochimiques ont été produits, avec des processus et des conceptions chimiques variés, notamment des cellules galvaniques , des cellules électrolytiques , des piles à combustible, des cellules à flux et des piles voltaïques. ^[35]

Une batterie à cellule humide a un électrolyte liquide . D’autres noms sont cellule inondée , puisque le liquide recouvre toutes les pièces internes ou cellule ventilée , puisque les gaz produits pendant le fonctionnement peuvent s’échapper dans l’air. Les cellules humides étaient un précurseur des cellules sèches et sont couramment utilisées comme outil d’apprentissage pour l’ électrochimie . Ils peuvent être construits avec des fournitures de laboratoire courantes, telles que des béchers , pour des démonstrations du fonctionnement des cellules électrochimiques. Un type particulier de cellule humide connue sous le nom de cellule de concentration est important pour comprendre la corrosion . Les piles humides peuvent être des piles primaires (non rechargeables) ou des piles secondaires(rechargeable). À l’origine, toutes les batteries primaires pratiques telles que la cellule Daniell étaient construites sous forme de cellules humides à bocal en verre à dessus ouvert. Les autres cellules humides primaires sont la cellule Leclanche , la cellule Grove , la cellule Bunsen , la cellule acide chromique , la cellule Clark et la cellule Weston . La chimie des cellules Leclanche a été adaptée aux premières piles sèches. Les cellules humides sont encore utilisées dans les batteries automobiles et dans l’industrie pour l’alimentation de secours des appareillages de commutation , des télécommunications ou des grandes alimentations sans interruption , mais dans de nombreux endroits, les batteries à cellules de gelont été utilisés à la place. Ces applications utilisent couramment des cellules plomb-acide ou nickel-cadmium . Les batteries au sel fondu sont des batteries primaires ou secondaires qui utilisent un sel fondu comme électrolyte. Ils fonctionnent à des températures élevées et doivent être bien isolés pour retenir la chaleur.

Une pile sèche utilise un électrolyte en pâte, avec juste assez d’humidité pour permettre au courant de circuler. Contrairement à une cellule humide, une cellule sèche peut fonctionner dans n’importe quelle orientation sans se renverser, car elle ne contient aucun liquide libre, ce qui la rend adaptée aux équipements portables. En comparaison, les premières cellules humides étaient généralement des récipients en verre fragiles avec des tiges de plomb suspendues au sommet ouvert et nécessitaient une manipulation prudente pour éviter les déversements. Les Batteries au plomb-acide n’ont pas atteint la sécurité et la portabilité de la pile sèche jusqu’au développement de la batterie au gel . Une pile sèche courante est la pile zinc-carbone , parfois appelée pile sèche Leclanché , avec une tension nominale de 1,5 volt , identique à la pile alcaline(puisque les deux utilisent la même combinaison de zinc et de dioxyde de manganèse ). Une pile sèche standard comprend une anode en zinc , généralement sous la forme d’un pot cylindrique, avec une cathode en carbone sous la forme d’une tige centrale. L’électrolyte est du chlorure d’ammonium sous forme de pâte à côté de l’anode de zinc. L’espace restant entre l’électrolyte et la cathode de carbone est occupé par une seconde pâte constituée de chlorure d’ammonium et de dioxyde de manganèse, ce dernier jouant le rôle de dépolarisant . Dans certaines conceptions, le chlorure d’ammonium est remplacé par du chlorure de zinc .

Une batterie de réserve peut être stockée non assemblée (non activée et ne fournissant aucune alimentation) pendant une longue période (peut-être des années). Lorsque la batterie est nécessaire, elle est alors assemblée (par exemple, en ajoutant de l’électrolyte) ; une fois assemblée, la batterie est chargée et prête à fonctionner. Par exemple, une batterie pour une fusée d’artillerie électronique peut être activée par l’impact d’un tir avec une arme à feu. L’accélération brise une capsule d’électrolyte qui active la batterie et alimente les circuits de la fusée. Les batteries de réserve sont généralement conçues pour une courte durée de vie (secondes ou minutes) après un long stockage (années). Une batterie activée par l’eau pour instruments océanographiques ou applications militaires s’active lors de l’immersion dans l’eau.

Le 28 février 2017, l’ Université du Texas à Austin a publié un communiqué de presse sur un nouveau type de batterie à semi-conducteurs , développé par une équipe dirigée par l’inventeur de la batterie Lithium-ion John Goodenough , “qui pourrait conduire à une charge plus sûre et plus rapide, des batteries rechargeables de plus longue durée pour les appareils mobiles portables, les voitures électriques et le stockage d’énergie stationnaire”. ^[36] On dit également que la batterie à semi-conducteurs a “trois fois la densité d’énergie”, augmentant sa durée de vie utile dans les véhicules électriques, par exemple. Elle devrait également être plus respectueuse de l’environnement puisque la technologie utilise des matériaux moins coûteux et respectueux de l’environnement, tels que le sodium extrait de l’eau de mer. Ils ont aussi une durée de vie beaucoup plus longue. ^[37]

Sony a développé une batterie biologique qui génère de l’électricité à partir de sucre d’une manière similaire aux processus observés dans les organismes vivants. La batterie génère de l’électricité grâce à l’utilisation d’enzymes qui décomposent les glucides. ^[38]

La batterie plomb-acide régulée par valve scellée (batterie VRLA) est populaire dans l’industrie automobile en remplacement de la cellule humide plomb-acide. La batterie VRLA utilise un électrolyte d’acide sulfurique immobilisé , ce qui réduit les risques de fuite et prolonge la durée de conservation . ^[39] Les batteries VRLA immobilisent l’électrolyte. Les deux types sont :

Les batteries au gel (ou “gel cell”) utilisent un électrolyte semi-solide.
Les batteries Absorbed Glass Mat (AGM) absorbent l’électrolyte dans un tapis spécial en fibre de verre.

D’autres batteries rechargeables portables comprennent plusieurs types de “piles sèches” scellées, qui sont utiles dans des applications telles que les téléphones portables et les ordinateurs portables . Les cellules de ce type (par ordre croissant de densité de puissance et de coût) comprennent les cellules nickel-cadmium (NiCd), nickel-zinc (NiZn), nickel-hydrure métallique (NiMH) et Lithium-ion (Li-ion). Le Lithium-ion détient de loin la part la plus élevée du marché des piles rechargeables sèches. Le NiMH a remplacé le NiCd dans la plupart des applications en raison de sa plus grande capacité, mais le NiCd reste utilisé dans les outils électriques , les radios bidirectionnelles et les équipements médicaux .

Dans les années 2000, les développements incluent des batteries avec électronique embarquée telles que USBCELL , qui permet de charger une batterie AA via un connecteur USB , des batteries nanoball qui permettent un taux de décharge environ 100x supérieur aux batteries actuelles, et des batteries intelligentes avec état de charge. moniteurs et circuits de protection de la batterie qui empêchent les dommages en cas de décharge excessive. La faible autodécharge (LSD) permet aux cellules secondaires d’être chargées avant l’expédition.

Des batteries au lithium-soufre ont été utilisées lors du vol solaire le plus long et le plus élevé. ^[40]

Qualités grand public et industrielles

Les batteries de tous types sont fabriquées dans des catégories grand public et industrielles. Les batteries de qualité industrielle plus coûteuses peuvent utiliser des produits chimiques qui offrent un rapport puissance/taille plus élevé, ont une autodécharge plus faible et donc une durée de vie plus longue lorsqu’elles ne sont pas utilisées, une plus grande résistance aux fuites et, par exemple, une capacité à gérer la température et l’humidité élevées associées avec stérilisation médicale en autoclave. ^[41]

Combinaison et gestion

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Les piles au format standard sont insérées dans le porte-piles de l’appareil qui les utilise. Lorsqu’un appareil n’utilise pas de batteries au format standard, elles sont généralement combinées dans un bloc- batterie personnalisé qui contient plusieurs batteries en plus de fonctionnalités telles qu’un système de gestion de batterie et un isolateur de batterie qui garantissent que les batteries à l’intérieur sont chargées et déchargées de manière uniforme.

Tailles

Les piles primaires facilement disponibles pour les consommateurs vont des minuscules piles bouton utilisées pour les montres électriques à la pile n ° 6 utilisée pour les circuits de signalisation ou d’autres applications de longue durée. Les cellules secondaires sont fabriquées dans de très grandes tailles; de très grandes batteries peuvent alimenter un sous- marin ou stabiliser un réseau électrique et aider à niveler les charges de pointe.

En 2017 ^{[mettre à jour]}, la plus grande batterie du monde a été construite en Australie-Méridionale par Tesla . Il peut stocker 129 MWh. ^[42] Une batterie dans la province du Hebei , en Chine, qui peut stocker 36 MWh d’électricité a été construite en 2013 pour un coût de 500 millions de dollars. ^[43] Une autre grande batterie, composée de cellules Ni-Cd , se trouvait à Fairbanks, en Alaska . Il couvrait 2 000 mètres carrés (22 000 pieds carrés) – plus grand qu’un terrain de football – et pesait 1 300 tonnes. Il a été fabriqué par ABB pour fournir une alimentation de secours en cas de panne de courant. La batterie peut fournir 40 MW de puissance pendant sept minutes maximum. ^[44] Des batteries sodium-soufre ont été utilisées pour stockerl’énergie éolienne . ^[45] Un système de batteries de 4,4 MWh pouvant fournir 11 MW pendant 25 minutes stabilise la production du parc éolien d’Auwahi à Hawaï. ^[46]

Comparaison

De nombreuses propriétés importantes des cellules, telles que la tension, la densité d’énergie, l’inflammabilité, les constructions de cellules disponibles, la plage de températures de fonctionnement et la durée de conservation, sont dictées par la chimie de la batterie. ^{[ citation nécessaire ]}

Piles primaires

Batteries secondaires

Chimie	Anode (−)	Cathode (+)	Max. tension théorique (V)	Tension nominale, pratique (V)	Énergie spécifique (kJ/kg)	Élaboration	Durée de conservation à 25 °C, capacité 80 % (mois)
Zinc-carbone	Zn	C	1.6	1.2	130	Peu coûteux.	18
Chlorure de zinc	1.5	Aussi connu sous le nom de “lourd”, peu coûteux.
Alcalin (dioxyde de zinc-manganèse)	Zn	MnO2 _{_}	1.5	1.15	400-590	Densité énergétique modérée. Bon pour les utilisations à forte et faible consommation.	30
Oxyhydroxyde de nickel (dioxyde de zinc-manganèse / oxyhydroxyde de nickel)	1.7	Densité énergétique modérée. Bon pour les utilisations à forte consommation.
Lithium (lithium-oxyde de cuivre) Li-CuO	Li	CuO	1.7	N’est plus fabriqué. Remplacées par des piles à l’oxyde d’argent ( IEC de type “SR”).
Lithium (disulfure de lithium-fer) LiFeS ₂	Li	FeS ₂	1.8	1.5	1070	Chere. Utilisé dans les batteries ‘plus’ ou ‘extra’.	337 ^[47]
Lithium (dioxyde de lithium-manganèse) LiMnO ₂	Li	MnO2 _{_}	3.0	830–1010	Chere. Utilisé uniquement dans les appareils à forte consommation ou pour une longue durée de conservation en raison du très faible taux d’autodécharge. Le « lithium » seul fait généralement référence à ce type de chimie.
Lithium (fluorure de lithium-carbone) Li–(CF) _n	Li	(FC) _n	3.6	3.0	120
Lithium (oxyde de lithium–chrome) Li–CrO ₂	Li	CrO2 _{_}	3.8	3.0	108
Lithium ( lithium-silicium )	Li ₂₂ Si ₅
Oxyde de mercure	Zn	HgO	1.34	1.2	Haute consommation et tension constante. Interdit dans la plupart des pays en raison de problèmes de santé.	36
Zinc-air	Zn	O ₂	1.6	1.1	1590 ^[48]	Utilisé principalement dans les aides auditives.
Tas de Zamboni	Zn	Ag ou Au	0,8	Très longue durée de vie. Courant très faible (nanoamp, nA)	>2 000
Oxyde d’argent (argent-zinc)	Zn	Ag ₂ O	1,85	1.5	470	Très cher. Utilisé uniquement dans le commerce dans les piles « bouton ».	30
Magnésium	mg	MnO2 _{_}	2.0	1.5	40
Chimie	Tension de cellule	Énergie spécifique (kJ/kg)	Densité énergétique (kJ/litre)	commentaires
NiCd	1.2	140	Peu coûteux. Haute/faible consommation, densité d’énergie modérée. Peut supporter des taux de décharge très élevés sans pratiquement aucune perte de capacité. Taux modéré d’auto-décharge. Dangereux pour l’environnement dû au Cadmium, utilisation désormais quasiment interdite en Europe.
Plomb-acide	2.1	140	Modérément cher. Densité énergétique modérée. Taux modéré d’auto-décharge. Des taux de décharge plus élevés entraînent une perte considérable de capacité. Danger pour l’environnement dû au plomb. Usage courant : batteries automobiles
NiMH	1.2	360	Peu coûteux. Fonctionne mieux que les Piles alcalines dans les appareils à forte consommation. La chimie traditionnelle a une densité d’énergie élevée, mais aussi un taux élevé d’autodécharge. La chimie plus récente a un faible taux d’autodécharge , mais également une densité d’énergie inférieure d’environ 25 %. Utilisé dans certaines voitures.
NiZn	1.6	360	Modérément bon marché. Dispositif de vidange élevé adapté. Faible taux d’autodécharge. Tension plus proche des cellules primaires alcalines que des autres cellules secondaires. Aucun composant toxique. Nouvellement introduit sur le marché (2009). N’a pas encore établi de palmarès. Disponibilité en taille limitée.
AgZn	1,86 1,5	460	Plus petit volume que le Li-ion équivalent. Extrêmement cher à cause de l’argent. Densité énergétique très élevée. Capacité de vidange très élevée. Pendant de nombreuses années, considéré comme obsolète en raison des prix élevés de l’argent. La cellule souffre d’oxydation si elle n’est pas utilisée. Les réactions ne sont pas entièrement comprises. La tension aux bornes est très stable mais chute soudainement à 1,5 volt à 70–80% de charge (supposée être due à la présence d’oxyde argenteux et argentique dans la plaque positive; l’un est consommé en premier). A été utilisé à la place de la Batterie principale (buggy lunaire). Est à nouveau développé en remplacement du Li-ion.
LiFePO ₄	3.3 3.0	360	790	Chimie Lithium-Fer-Phosphate.
Lithium-ion	3.6	460	Très cher. Densité énergétique très élevée. Généralement non disponible dans les tailles de batterie “communes”. La batterie au lithium polymère est courante dans les ordinateurs portables, les appareils photo numériques, les caméscopes et les téléphones portables. Très faible taux d’autodécharge. La tension aux bornes varie de 4,2 à 3,0 volts pendant la décharge. Volatile : risque d’explosion en cas de court-circuit, de surchauffe ou de fabrication non conforme à des normes de qualité rigoureuses.

Performance, capacité et décharge

Un appareil pour vérifier la tension de la batterie

Les caractéristiques d’une batterie peuvent varier au cours du cycle de charge, du cycle de charge et de la durée de vie en raison de nombreux facteurs, notamment la chimie interne, la consommation de courant et la température. À basse température, une batterie ne peut pas fournir autant de puissance. Ainsi, dans les climats froids, certains propriétaires de voitures installent des réchauffeurs de batterie, qui sont de petits coussins chauffants électriques qui maintiennent la batterie de la voiture au chaud.

La capacité d’une batterie est la quantité de charge électrique qu’elle peut fournir à la tension nominale. Plus il y a de matériau d’électrode contenu dans la cellule, plus sa capacité est grande. Une petite cellule a moins de capacité qu’une cellule plus grande avec la même chimie, bien qu’elle développe la même tension en circuit ouvert. ^[49] La capacité est mesurée en unités telles que l’ ampère-heure (A·h). La capacité nominale d’une batterie est généralement exprimée comme le produit de 20 heures multiplié par le courant qu’une nouvelle batterie peut fournir de manière constante pendant 20 heures à 68 ° F (20 ° C), tout en restant au-dessus d’une tension aux bornes spécifiée par cellule. Par exemple, une batterie de 100 A·h peut fournir 5 A sur une période de 20 heures à température ambiante.. La fraction de la charge stockée qu’une batterie peut fournir dépend de plusieurs facteurs, notamment la chimie de la batterie, la vitesse à laquelle la charge est délivrée (courant), la tension aux bornes requise, la période de stockage, la température ambiante et d’autres facteurs. ^[49]

Plus le taux de décharge est élevé, plus la capacité est faible. ^[50] La relation entre courant, temps de décharge et capacité pour une batterie plomb-acide est approchée (sur une plage typique de valeurs de courant) par la loi de Peukert :

t = Q P I k {displaystyle t={frac {Q_{P}}{I^{k}}}} $t = frac {Q_P} {I^k}$ $t = frac {Q_P} {I^k}$

où

Q P {displaystyle Q_{P}} Q_P est la capacité lorsqu’elle est déchargée à un taux de 1 ampère. I {displaystyle I} est le courant tiré de la batterie ( A ). t {displaystyle t} est la durée (en heures) qu’une batterie peut supporter. k {displaystyle k} est une constante autour de 1,3.

Les batteries qui sont stockées pendant une longue période ou qui sont déchargées à une petite fraction de la capacité perdent de la capacité en raison de la présence de réactions secondaires généralement irréversibles qui consomment des porteurs de charge sans produire de courant. Ce phénomène est connu sous le nom d’auto-décharge interne. De plus, lorsque les batteries sont rechargées, des réactions secondaires supplémentaires peuvent se produire, réduisant la capacité de décharges ultérieures. Après suffisamment de recharges, toute la capacité est essentiellement perdue et la batterie cesse de produire de l’énergie. Les pertes d’énergie internes et les limitations de la vitesse à laquelle les ions traversent l’électrolyte entraînent l’ efficacité de la batteriefaire varier. Au-dessus d’un seuil minimum, une décharge à faible débit délivre plus de capacité de la batterie qu’à un débit plus élevé. L’installation de batteries avec différentes valeurs A·h n’affecte pas le fonctionnement de l’appareil (bien que cela puisse affecter l’intervalle de fonctionnement) évalué pour une tension spécifique à moins que les limites de charge ne soient dépassées. Les charges à forte consommation telles que les appareils photo numériques peuvent réduire la capacité totale, comme c’est le cas avec les Piles alcalines. Par exemple, une batterie d’une capacité nominale de 2 A·h pour une décharge de 10 ou 20 heures ne supporterait pas un courant de 1 A pendant deux heures complètes, comme l’implique sa capacité indiquée.

Le taux C est une mesure de la vitesse à laquelle une batterie est chargée ou déchargée. Il est défini comme le courant traversant la batterie divisé par la consommation de courant théorique sous laquelle la batterie fournirait sa capacité nominale nominale en une heure. ^[51] Il a les unités h ⁻¹. En raison de la perte de résistance interne et des processus chimiques à l’intérieur des cellules, une batterie fournit rarement une capacité nominale nominale en seulement une heure. En règle générale, la capacité maximale se trouve à un taux C faible, et la charge ou la décharge à un taux C plus élevé réduit la durée de vie utile et la capacité d’une batterie. Les fabricants publient souvent des fiches techniques avec des graphiques montrant la capacité par rapport aux courbes de taux C. Le taux C est également utilisé comme indice sur les batteries pour indiquer le courant maximal qu’une batterie peut fournir en toute sécurité dans un circuit. Les normes pour les batteries rechargeables évaluent généralement la capacité et les cycles de charge sur une durée de décharge de 4 heures (0,25 C), 8 heures (0,125 C) ou plus. Types destinés à des fins spéciales, comme dans une alimentation sans coupure d’ ordinateur, peuvent être évalués par les fabricants pour des périodes de décharge bien inférieures à une heure (1C) mais peuvent souffrir d’une durée de vie limitée.

Depuis 2012 ^[update], le phosphate de fer au lithium ( LiFePO₄) la technologie de batterie était la plus rapide à charger/décharger, se déchargeant complètement en 10 à 20 secondes. ^[52]

Durée de vie

Une batterie de caméscope analogique [lithium ion]

La durée de vie de la batterie (et son synonyme de durée de vie de la batterie) a deux significations pour les batteries rechargeables mais une seule pour les non-rechargeables. Pour les batteries rechargeables, cela peut signifier soit la durée pendant laquelle un appareil peut fonctionner sur une batterie complètement chargée, soit le nombre de cycles de charge/décharge possibles avant que les cellules ne fonctionnent pas de manière satisfaisante. Pour un non rechargeable ces deux durées de vie sont égales puisque les piles ne durent qu’un seul cycle par définition. (Le terme durée de vie est utilisé pour décrire la durée pendant laquelle une batterie conservera ses performances entre la fabrication et l’utilisation.) La capacité disponible de toutes les batteries diminue avec la baisse de la température. Contrairement à la plupart des batteries d’aujourd’hui, la pile Zamboni, inventé en 1812, offre une très longue durée de vie sans remise à neuf ni recharge, bien qu’il ne fournisse du courant que dans la gamme des nanoampères. L’ Oxford Electric Bell sonne presque continuellement depuis 1840 sur sa paire de piles d’origine, que l’on pense être des piles Zamboni. ^{[ citation nécessaire ]}

Les piles jetables perdent généralement 8 à 20 % de leur charge d’origine par an lorsqu’elles sont stockées à température ambiante (20 à 30 °C). ^[53] C’est ce qu’on appelle le taux « d’autodécharge » et il est dû à des réactions chimiques « secondaires » non productrices de courant qui se produisent dans la cellule même lorsqu’aucune charge n’est appliquée. Le taux de réactions secondaires est réduit pour les batteries stockées à des températures plus basses, bien que certaines puissent être endommagées par le gel. Les anciennes piles rechargeables se déchargent plus rapidement que les Piles alcalines jetables, en particulier les piles à base de nickel ; une batterie au nickel-cadmium (NiCd) fraîchement chargée perd 10 % de sa charge au cours des premières 24 heures, puis se décharge à raison d’environ 10 % par mois. Cependant, les nouvelles batteries à hydrure métallique de nickel (NiMH) à faible autodéchargeet les conceptions modernes au lithium affichent un taux d’autodécharge plus faible (mais toujours plus élevé que pour les batteries primaires).

Le matériau actif sur les plaques de la batterie change de composition chimique à chaque cycle de charge et de décharge ; la matière active peut être perdue en raison de changements physiques de volume, ce qui limite encore le nombre de fois que la batterie peut être rechargée. La plupart des batteries à base de nickel sont partiellement déchargées lors de l’achat et doivent être chargées avant la première utilisation. ^[54] Les batteries NiMH les plus récentes sont prêtes à être utilisées dès leur achat et ne se déchargent que de 15 % en un an. ^[55]

Une certaine détérioration se produit à chaque cycle de charge-décharge. La dégradation se produit généralement parce que l’électrolyte migre loin des électrodes ou parce que le matériau actif se détache des électrodes. Les batteries NiMH à faible capacité (1 700–2 000 mA·h) peuvent être rechargées environ 1 000 fois, tandis que les batteries NiMH à haute capacité (supérieures à 2 500 mA·h) durent environ 500 cycles. ^[56] Les batteries NiCd ont tendance à être évaluées pour 1 000 cycles avant que leur résistance interne n’augmente de façon permanente au-delà des valeurs utilisables. La charge rapide augmente les changements de composants, raccourcissant la durée de vie de la batterie. ^[56] Si un chargeur ne peut pas détecter le moment où la batterie est complètement chargée, une surcharge est probable, ce qui l’endommagera. ^[57]

Les piles NiCd, si elles sont utilisées de manière répétitive particulière, peuvent présenter une diminution de capacité appelée « effet mémoire ». ^[58] L’effet peut être évité avec des pratiques simples. Les cellules NiMH, bien que similaires en chimie, souffrent moins de l’effet mémoire. ^[59]

Les batteries rechargeables au plomb-acide pour automobiles doivent supporter des contraintes dues aux vibrations, aux chocs et à la plage de température. En raison de ces contraintes et de la sulfatation de leurs plaques de plomb, peu de batteries automobiles durent plus de six ans d’utilisation régulière. ^[60] Les batteries de démarrage automobile ( SLI : Starting, Lighting, Ignition ) ont de nombreuses plaques minces pour maximiser le courant. En général, plus les plaques sont épaisses, plus la durée de vie est longue. Ils ne sont généralement déchargés que légèrement avant la recharge. Les batteries plomb-acide «à cycle profond» telles que celles utilisées dans les voiturettes de golf électriques ont des plaques beaucoup plus épaisses pour prolonger la longévité. ^[61]Le principal avantage de la batterie plomb-acide est son faible coût; ses principaux inconvénients sont sa taille et son poids importants pour une capacité et une tension données. Les Batteries au plomb-acide ne doivent jamais être déchargées à moins de 20 % de leur capacité, ^[62] car la résistance interne provoquera de la chaleur et des dommages lorsqu’elles seront rechargées. Les systèmes au plomb-acide à cycle profond utilisent souvent un voyant d’avertissement de faible charge ou un interrupteur de coupure de courant à faible charge pour éviter le type de dommage qui raccourcira la durée de vie de la batterie. ^[63]

La durée de vie des piles peut être prolongée en stockant les piles à basse température, comme dans un réfrigérateur ou un congélateur , ce qui ralentit les réactions secondaires. Un tel stockage peut prolonger la durée de vie des Piles alcalines d’environ 5 % ; les piles rechargeables peuvent conserver leur charge beaucoup plus longtemps, selon le type. ^[64] Pour atteindre leur tension maximale, les batteries doivent être remises à température ambiante ; décharger une pile alcaline à 250 mA à 0 °C est deux fois moins efficace qu’à 20 °C. ^[34] Les fabricants de Piles alcalines comme Duracell ne recommandent pas de réfrigérer les piles. ^[33]

Dangers

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Batterie après explosion

Une explosion de batterie est généralement causée par une mauvaise utilisation ou un dysfonctionnement, comme une tentative de recharge d’une Batterie principale (non rechargeable) ou un court-circuit .

Lorsqu’une batterie est rechargée à un rythme excessif, un mélange gazeux explosif d’ hydrogène et d’ oxygène peut être produit plus rapidement qu’il ne peut s’échapper de l’intérieur de la batterie (par exemple par un évent intégré), entraînant une accumulation de pression et éventuellement l’éclatement de la batterie. le boîtier de la batterie. Dans les cas extrêmes, les produits chimiques de la batterie peuvent jaillir violemment du boîtier et provoquer des blessures. Un résumé expert du problème indique que ce type utilise “des électrolytes liquides pour transporter les ions lithium entre l’anode et la cathode. Si une cellule de batterie est chargée trop rapidement, cela peut provoquer un court-circuit, entraînant des explosions et des incendies”. ^{[65] [66]} Les batteries de voiture sont plus susceptibles d’exploser lorsqu’un court-circuit génère de très grands courants. Ces batteries produisent de l’hydrogène, ce qui est très explosif, lorsqu’ils sont surchargés (à cause de l’ électrolyse de l’eau dans l’électrolyte). Lors d’une utilisation normale, la quantité de surcharge est généralement très faible et génère peu d’hydrogène, qui se dissipe rapidement. Cependant, lors du “démarrage d’appoint” d’une voiture, le courant élevé peut provoquer la libération rapide de grands volumes d’hydrogène, qui peuvent être enflammés de manière explosive par une étincelle à proximité, par exemple lors de la déconnexion d’un câble de démarrage .

Une surcharge (tentative de charger une batterie au-delà de sa capacité électrique) peut également entraîner une explosion de la batterie, en plus de fuites ou de dommages irréversibles. Cela peut également endommager le chargeur ou l’appareil dans lequel la batterie surchargée est utilisée ultérieurement.

L’élimination d’une batterie par incinération peut provoquer une explosion car la vapeur s’accumule dans le boîtier scellé.

Pile alcaline endommagée par une fuite

De nombreux produits chimiques pour batteries sont corrosifs, toxiques ou les deux. En cas de fuite, spontanée ou accidentelle, les produits chimiques libérés peuvent être dangereux. Par exemple, les piles jetables utilisent souvent une “boîte” de zinc à la fois comme réactif et comme récipient pour contenir les autres réactifs. Si ce type de batterie est trop déchargé, les réactifs peuvent sortir à travers le carton et le plastique qui forment le reste du conteneur. La fuite chimique active peut alors endommager ou désactiver l’équipement alimenté par les batteries. Pour cette raison, de nombreux fabricants d’appareils électroniques recommandent de retirer les piles des appareils qui ne seront pas utilisés pendant de longues périodes.

De nombreux types de batteries utilisent des matériaux toxiques tels que le plomb, le mercure et le cadmium comme électrode ou électrolyte. Lorsque chaque batterie arrive en fin de vie, elle doit être éliminée pour éviter tout dommage environnemental. ^[67] Les piles sont une forme de déchets électroniques (e-déchets). Les services de recyclage des déchets électroniques récupèrent les substances toxiques, qui peuvent ensuite être utilisées pour de nouvelles batteries. ^[68] Sur les près de trois milliards de piles achetées chaque année aux États-Unis, environ 179 000 tonnes finissent dans des décharges à travers le pays. ^[69]

Les piles peuvent être nocives ou mortelles si elles sont avalées . ^[70] Les petites piles bouton peuvent être avalées, en particulier par les jeunes enfants. Dans le tube digestif, la décharge électrique de la batterie peut entraîner des lésions tissulaires ; ^[71] ces dommages sont parfois graves et peuvent entraîner la mort. Les piles à disque ingérées ne causent généralement pas de problèmes à moins qu’elles ne se logent dans le tractus gastro-intestinal . L’œsophage est l’endroit le plus courant où les piles à disque se logent, ce qui entraîne des séquelles cliniques.. Les piles qui traversent avec succès l’œsophage sont peu susceptibles de se loger ailleurs. La probabilité qu’une pile à disque se loge dans l’œsophage dépend de l’âge du patient et de la taille de la pile. Des piles-disques de 16 mm se sont logées dans l’œsophage de 2 enfants de moins de 1 an. ^{[ citation nécessaire ]} Les enfants plus âgés n’ont pas de problèmes avec des piles inférieures à 21-23 mm. Une nécrose de liquéfaction peut se produire car l’hydroxyde de sodium est généré par le courant produit par la batterie (généralement à l’anode). La perforation s’est produite aussi rapidement que 6 heures après l’ingestion. ^[72]

Législation et réglementation

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La législation relative aux batteries électriques comprend des sujets tels que l’élimination et le recyclage en toute sécurité.

Aux États-Unis, la Mercury-Containing and Rechargeable Battery Management Act de 1996 a interdit la vente de piles contenant du mercure, a adopté des exigences d’étiquetage uniformes pour les piles rechargeables et a exigé que les piles rechargeables soient facilement amovibles. ^[73] La Californie et la ville de New York interdisent l’élimination des piles rechargeables dans les déchets solides. ^{[74] [75]} L’industrie des piles rechargeables gère des programmes de recyclage à l’échelle nationale aux États-Unis et au Canada, avec des points de dépôt chez les détaillants locaux. ^[76]

La directive sur les batteries de l’Union européenne a des exigences similaires, en plus d’exiger un recyclage accru des batteries et de promouvoir la recherche sur des méthodes améliorées de recyclage des batteries . ^[77] Conformément à cette directive, toutes les piles destinées à être vendues dans l’UE doivent être marquées du “symbole de collecte” (une poubelle barrée d’une croix). Celui-ci doit couvrir au moins 3% de la surface des batteries prismatiques et 1,5% de la surface des batteries cylindriques. Tous les emballages doivent être marqués de la même manière. ^[78]

En réponse aux accidents et aux pannes signalés, parfois à l’allumage ou à l’explosion, les rappels d’appareils utilisant des batteries Lithium-ion sont devenus plus fréquents ces dernières années. ^{[79] [80]}

Voir également

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Saslow, Wayne M. (2002). Électricité, magnétisme et lumière . Toronto : Apprentissage Thomson. ISBN 978-0-12-619455-5.Chs. 8–9 (pp. 336–418) contiennent plus d’informations sur les piles.

Liens externes

Médias liés aux piles électriques sur Wikimedia Commons
Piles chez Curlie
Piles non rechargeables
HowStuffWorks : comment fonctionnent les piles
Autres types de cellules de batterie
Ensemble d’enseignement et d’apprentissage DoITPoMS – “Batteries”
Le blog Physics arXiv (17 août 2013). “Première simulation au niveau atomique d’une batterie entière | Examen de la technologie MIT” . Technologyreview.com . Récupéré le 21 août 2013 .