Quelles sont les différentes technologies de batteries existantes ?

Les batteries les plus courantes aujourd’hui sont au lithium-ion (100 % du secteur électronique portable). Elles équipent 95 % des véhicules électriques et hybrides. En 2016, on estimait à 6.8 milliards le nombre de ces batteries fabriquées chaque année.

C’est un marché à 20 milliards de dollars. Les besoins en batteries sont croissants pour la voiture électrique et hybride. À côté des batteries lithium ion, des batteries Ni-CD et Ni-MH existent encore.

Le stockage stationnaire à petite et grande échelle est aussi en développement. Il est lié au développement du secteur de la production d’électricité à partir d’énergies renouvelables. L’éolien et le solaire sont de sources alternatives qui créent une nécessité de stockage d’énergie.

Les batteries fournissent une solution de lissage et de continuité dans l’approvisionnement énergétique. Vous souhaitez en savoir plus sur les différents types de batteries ? Lisez notre guide !

Les batteries au lithium

Les batteries de tout type sont toujours composées d’accumulateurs. Ceux-ci contiennent un électrolyte, qui délivre de l’énergie électrique en changeant d’état. Les batteries ont la particularité de pouvoir être rechargés avec un chargeur adapté lorsqu’elles sont vides. Différents types de chargeurs existent.

La technologie des accumulateurs lithium-ion représente une vraie rupture technologique. Découvrez en quelques lignes son histoire et ses caractéristiques.

La pile au lithium

Le terme de pile vient de l’invention d’Alessandro Volta du début du XIX siècle. Il empila deux éléments métalliques et un tissu imprégné d’une solution saline. La pile était née. Entre 1965 et 1985, la pile au lithium métallique va voir le jour.

Le lithium est un métal extrêmement léger. Il a un potentiel à fournir une énergie spécifique par poids très élevée. Mais il présente des risques de surchauffe et d’incendie au gré des cycles de charge. Des piles à cathode solide au lithium sont toujours commercialisées.

Le grand public, l’industrie, la médecine, l’armée en sont les principaux clients.

C’est la crise pétrolière de 1973 qui va accélérer la recherche vers d’autres types de piles. Le développement de l’électronique grand public sera aussi un facteur favorable. La faible performance des accumulateurs Ni-CD, pourtant répandus, a également joué un rôle majeur.

Certaines études s’orientent vers les batteries rechargeables au lithium à haute température. Mais c’est la connaissance avancée de matériaux d’intercalation qui permettra des progrès significatifs. La conversion des piles au lithium en piles rechargeables sera assurée. Les batteries au lithium-ion vont naître de cette évolution.

La batterie lithium ION

Une batterie lithium-ion est 3 à 4 fois plus autonome qu’une batterie Ni-CD ou Ni-MH. La voiture électrique Tesla est réalisée autour d’un pack de 7000 piles lithium-ion de type 18650. Ces piles ont chacune une capacité de 3000 mAh, et une tension nominale de 3.6 volts.

Les applications de ces batteries pour le stockage de l’énergie stationnaire commencent à se développer.

Quelle est la différence entre une batterie au lithium et une batterie au lithium ion ?

La première utilise le métal lithium pour son anode. L’anode de la pile au lithium-ion est en graphite, et la cathode est en matériaux actifs (oxyde métallique). Son séparateur contient un électrolyte liquide (sels de lithium dans un solvant organique). Ce sont les échanges d’ions lithium entre la cathode et l’anode qui caractérisent la batterie lithium-ion.

Sony en a lancé la commercialisation en 1991. En 2012, les densités d’énergie massique et volumique étaient respectivement de 245 Wh/kg et 650 Wh/L.

Les 3 principaux formats fabriqués aujourd’hui sont :

• La pile cylindrique.
• L’accumulateur prismatique.
• Le polymère.

Il existe de nombreuses variantes de la pile lithium-ion selon les marques.

Mais elles exploitent toutes le concept du lithium-ion. C’est l’Asie qui est le premier fabricant. La production mondiale est 20 fois supérieure à celle d’accus au Ni-CD et au Ni-MH. Les batteries au lithium-ion ont d’abord pourvu les appareils électroniques nomades.

Aujourd’hui, la technologie est mature pour équiper les véhicules. Mais les prix (élevés) sont toujours un frein à leur généralisation. En 2015, le cout de production était de 0.2 $/Wh. Il était respectivement de 0.34 et 0.76 $/Wh pour les véhicules électriques et hybrides.

L’internet des objets est également consommateur de micro accumulateurs au lithium. La batterie lithium-ion n’a pas d’effet mémoire et ne requiert pas de décharge complète régulière.

La batterie lithium polymère

 

C’est une innovation dans le domaine des batteries lithium-ion. L’électrolyte est sous forme de gel. Il remplace le solvant et les sels de lithium liquides. La circulation des ions entre la cathode et l’anode est favorisée.Pourquoi l’électrolyte est-il en gel ?

Cela lui permet d’être conducteur à température ambiante. Il est contenu dans un séparateur microporeux, doté d’un peu d’humidité. La plupart sont à base de Cobalt. Les matériaux utilisés pour l’anode et la cathode sont identiques à ceux d’une batterie lithium-ion. Les cycles de charge et décharges sont les mêmes.

Quel est son principal avantage ? La batterie lithium-ion a une coque rigide, parce que l’électrolyte est liquide et qu’il faut un contenant qui puisse résister à l’augmentation de la pression interne de la pile lorsque la température de ce liquide s’élève. Les cellules de la batterie lithium polymère sont assemblées dans un emballage à feuille, qui est souple. Cet emballage réduit de 20 % le poids de la batterie.

Il autorise toutes les formes, ce qui permet tous les designs. La question de la sécurité est gérée comme avec les batteries classiques lithium-ion. Toutefois, la batterie présente une moins grande durabilité.

Les batteries Ni-MH

L’accu Ni-MH

Ces batteries ont été commercialisées au début des années 90. Elles alimentent des produits et accessoires grand-public. Appareil photo numérique, outillage électroportatif, caméscopes sont quelques exemples. Elles sont en général adaptées aux applications aux appels de courant raisonnables. La tension nominale d’un élément est souvent de 1,2 volt. Leur capacité est meilleure que celle des piles Ni-CD. Elle est inférieure à celle des piles alcalines traditionnelles. Son électrolyte est composé essentiellement d’hydroxyde de potassium KOH. L’échange des ions OH- entre la cathode et l’anode crée la circulation des électrons.

À titre de comparaison, pour un format d’accumulateur LR06, la capacité moyenne en mAh est de :

• Accu Ni-CD : 650
• Accu Ni-MH : 2000
• Alcaline traditionnelle : 2800

Avantages des batteries Ni-MH :
Ce sont des piles à réaction électrochimique, à base de nickel hydrogène. Leur puissance (énergie spécifique fournie) est supérieure de 40 % à la pile Ni-CD. L’effet mémoire est moins élevé. Ces piles sont très répandues pour les produits nomades.

Les prix sont réduits, les formats disponibles sont très nombreux (AA, AAA et bien d’autres). Elles constituent une alternative fiable aux piles alcalines rechargeables des années 90. Elles ne sont pas soumises aux contraintes de transport. Leur recyclage est rentable. La plage de température d’utilisation est large.

Inconvénients :
La perte de charge est importante. L’autodécharge est de 20 % en 24 heures, et 10 % par mois ensuite. Après un an de stockage, elle est de 50 %. Leur durée de vie est limitée. Elles sont sensibles à la surcharge. Elles génèrent de la chaleur au cours de la charge rapide et de la décharge à forte charge.

Leur efficacité coulombique est de 65 % (contre 99 % avec le lithium-ion). Elles perdent 10 % de leur capacité au bout de 200 cycles de charge. Leur puissance est limitée à basse température. L’anode comporte une part de terre rare, ce qui la rend plus chère à fabriquer.

La pile Ni-MH Bouton

La pile bouton fonctionne sur le même principe d’électrolyte que l’accu Ni-MH. Le sommet de la pile sert de borne positive. L’anode est composée par le dessous de la pile, la coupelle. Les tensions nominales varient de 1,2 à 3,6 Volts. Jade Technologie vous propose de multiples références, pour des capacités étendues.

La pile bouton Ni-MH a une large plage de température d’utilisation. Elle est rechargeable à vitesse rapide. Elle supporte également la charge de maintien. Cela permet par exemple de garantir une alimentation électrique d’urgence (éclairage). Les applications sont diverses :

• Sauvegarde des données et informations en cas de coupure de courant.
• Sauvegarde des réglages des équipements nomades.
• Alimentation des petits matériels électroniques (ordinateurs de poche, calculatrices, carnets de notes).
• Alimentation des terminaux mobiles, systèmes de sécurité, appareils de mesure.

La pile bouton Ni-MH a de plus en plus d’applications dans l’informatique et l’automobile. Certaines piles sont conçues pour fonctionner à température ambiante élevée (jusqu’à 85 °C). Du fait de sa grande longévité, elle est souvent soudée à un circuit imprimé. Cela évite l’ajout d’un support et permet de gagner de l’espace. Elle peut faire l’objet de différents assemblages et peut être utilisée dans toutes les positions.

Cependant, la soudure directe sur la pile peut occasionner des dommages. Différents connecteurs à souder existent. Le soudage (par point) peut se faire pile chargée si la chauffe ne dépasse pas 10 secondes.

Elle ne requiert aucun entretien, et peut être entreposée longtemps sans perte de capacité permanente. Il faut toutefois la déconnecter des appareils pour éviter leur décharge. Sa température de stockage idéale va de 10 à 35 °C, pour une hygrométrie maximum de 50 %.

Le Power Bank

Le « power bank » est une batterie externe. C’est un produit de plus en plus répandu. Son apparition est liée à la généralisation des outils connectés. Le WiFi, Bluetooth ou 4 G sont très consommateurs d’énergie. Ils sollicitent énormément les batteries des devices, qui ont des capacités limitées.

En moyenne, ces capacités sont de 2500 à 4000 mAh pour les smartphones et 5000 à 10 000 mAh pour les tablettes. Dans le cadre professionnel, de nombreux appareils sont également concernés. Leur polyvalence et leur puissance épuisent rapidement le stock d’énergie de leur batterie. Ce sont :

• Les terminaux mobiles de contrôle, d’encaissement.
• Les équipements de communication des forces de l’ordre et des armées.
• Les matériels de mesure itinérants.
• Tout système qui se recharge.

Le power bank vous permet d’alimenter votre dispositif quand il est déchargé. Il prolonge votre journée de travail, vous évite de recommencer une tâche. C’est un outil d’amélioration de la rentabilité. Dans certaines zones de travail, revenir sur les lieux coûte cher. Pouvoir terminer une fixation, une mesure, lorsqu’on est loin, est crucial.

Notre gamme respecte la norme IP67 :

• Le produit est 100 % étanche à la poussière.
• Il est également étanche à l’eau à une profondeur d’un mètre durant 30 min.

Basés sur la technologie lithium, les power banks encaissent les chocs et les chutes. La connexion se fait en général par un dispositif sécurisé à verrouillage. Ils sont renforcés, dédiés à des usages professionnels. Ils sont équipés d’un circuit dédié pour contrôler le flux de puissance. Pour choisir le modèle, prenez en compte plusieurs paramètres :

• Le temps de charge que vous avez devant vous.
• Sa capacité doit être supérieure à celle de l’instrument à alimenter.
• La résistance mécanique : boitier ABS ou coque en carbone.
• Quelle sera l’énergie utilisée pour la recharge du power bank ? (panneaux solaires, véhicule, secteur).

Vos applications et matériels sont tous très différents. Leurs puissances sont d’une grande variété. Les conditions dans lesquelles vous les employez sont également très diverses. Ce sont ces raisons qui font que nous proposons des batteries externes d’appoint sur mesure.

Notre gamme est extrêmement large, pour répondre à toutes vos exigences. En remplissant un cahier des charges précis, vous obtenez le modèle dont vous avez besoin. Vous l’aurez toujours à votre portée quand vous travaillez. Exemple de capacité : 10,40 Ah, tension 11,10 V, pour un poids de 740 g.

Le power bank s’emporte dans un sac, un coffre de voiture, une mallette d’accessoires. Constamment chargé, il se branche rapidement dès que la batterie principale de l’appareil atteint son minimum. Leur ergonomie est étudiée pour une maniabilité et un rangement faciles.

Soyez prévoyant et prenez un temps d’avance sur vos concurrents. Dotez-vous d’un parc de power banks pour que vos équipes ne manquent jamais d’énergie.

L’accu Ni-CD

Comme tous les autres accumulateurs, il produit de l’électricité par un phénomène électrochimique. La cathode est faite de Nickel, l’anode de Cadmium. L’électrolyte – entre la cathode et l’anode – est composée d’hydroxyde de potassium (KOH). Le plus souvent, la forme de l’accumulateur est cylindrique.

Pour atteindre une densité énergétique élevée, la cathode et l’anode sont des plaques. Elles sont enroulées l’une sur l’autre, isolées par le séparateur contenant l’électrolyte. Ces batteries sont indiquées pour la signalisation, les équipements pour alarmes. Nous les proposons également pour les systèmes de sauvegarde et les matériels électroniques professionnels.

L’accumulateur Ni-CD a été créé en 1899 en Suède. La fabrication industrielle a démarré très tôt, en 1909. Cette technologie a régné pendant près de 50 ans sur les appareils portables. Mais la toxicité du produit (Nickel-Cadmium) l’écarte aujourd’hui des applications grand public.

En effet, le cadmium est un métal nocif qu’il faut retraiter par circuit adapté. Au début du XXe siècle, c’était la seule alternative aux batteries au plomb. L’accumulateur Ni-CD est une pile rechargeable. Il a longtemps pourvu :

• Les radios bidirectionnelles.
• Les caméras professionnelles.
• L’outillage électroportatif.
• Les équipements médicaux d’urgence.

Sur le plan technique, il est touché, comme l’accu Ni-MH, par l’effet mémoire. Pour y remédier, il faut le décharger complètement à intervalles réguliers. Il est solide et robuste, mais doit être parfaitement entretenu. Sa durée de vie est particulièrement longue. Il supporte un grand nombre de cycles de charge (plus de 1000). Il procure de bonnes performances à basse température. Économique, c’est l’accu dont le prix est le plus bas par cycle.

En revanche, son énergie spécifique est plus faible que le Ni-MH et le lithium. Ses prouesses techniques sont équivalentes à celles des batteries au plomb. Les applications aujourd’hui sont nombreuses. Mais le marché ne représente que 10 % de celui des batteries au plomb. On trouve deux grands types de batteries Ni-CD :

• La gamme spiralée, à la capacité comprise entre 10 mAh et 24 Ah.
• La gamme stationnaire ouverte, aux capacités de plus de 1000 Ah.

Les nombreux formats permettent de réaliser toute nature d’assemblage. C’est un outil de formidable pour composer vos unités de stockage d’énergie. Mais il est en passe d’être supplanté par la technologie lithium-ion.