Qu’est ce qu’une batterie ?
Qu’est ce qu’une batterie ?
Une batterie électrique est un composant électrochimique, elle comporte des électrodes positives et négatives composées d’alliages dissemblables plongées dans une électrolyte (acide).
L’ensemble est encapsulé dans un bac scellé ou muni d’un bouchon de remplissage et d’un évent. Les réactions d’oxydoréduction qui gouvernent le fonctionnement d’une batterie sont réversibles, dans la mesure où celle ci n’a pas été longtemps ni complètement déchargée ni trop surchargée.
Un fonctionnement prolongé dans l’un ou l’autre de ces états aboutirait à la destruction définitive de la batterie.
Comment définie-t-on une batterie ?
La capacité :
La capacité d’une batterie s’exprime en ampères heures (Ah), c’est la quantité de courant qu’elle peut fournir au cours d’un nombre d’heures précis, à une température de référence. Cette capacité nominale varie dans le même sens que la température de service de la batterie.
La capacité standard est déterminée en déchargeant la batterie à l’aide d’un courant constant pendant 10 heures, sans que la tension ne descende en dessous de la limite de décharge. On parle alors d’une capacité de batterie à C/10 ou C10.
Dans le cas particulier des batteries destinées aux applications solaires photovoltaïques, on parle de la capacité de décharge sur 100 heures, soit C100 ou sur 120 heures, soit C120. Cette donnée est utile pour les situations où les batteries doivent couvrir le besoin d’énergie pendant plusieurs jours d’affilée.
L’auto-décharge :
En raison d’impuretés présentes dans les produits chimiques utilisés pour la fabrication des batteries, des technologies mises en œuvre et des réactions électrochimiques qui y ont lieu, les batteries se déchargent même quand elles ne sont pas utilisées. Cette auto-décharge est exprimée en pourcentage de la perte relative de capacité par mois. L’auto-décharge des batteries à décharge profonde est très faible par rapport aux autres batteries.
L’auto-décharge dépend de la température, de la tension et du vieillissement de la batterie. Elle est plus rapide quand la batterie est complètement chargée, elle varie très rapidement avec la température (elle double de valeur tous les 10 °c) et son taux augmente aussi avec le vieillissement de la batterie.
La résistance interne :
La résistance interne d’une batterie en bon état est très faible, sa valeur varie selon l’état de charge et la température. Elle augmente avec le vieillissement de la batterie et est très sensible aux conditions d’utilisation, elle peut même devenir gênante et empêcher la recharge de la batterie.
Les batteries au plomb ouvert
Inventé en 1859 par le français Gaston Planté, l’accumulateur au plomb se compose de deux feuilles de plomb, trempant dans de l’acide sulfurique dilué. Il s’agit du premier accumulateur rechargeable. Pendant la charge initiale nommée « formation » par Planté, les réactifs forment un amas fragile sur les plaques. Peu pratique sous cette forme, l’accumulateur de Planté reste expérimental pendant une vingtaine d’années.
Développé au Luxembourg
En 1881, le luxembourgeois Henri Owen Tudor, reprend le principe de l’accumulateur Planté, et l’industrialise en introduisant des plaques de plomb coulé, enduites d’une pâte active. Beaucoup plus robuste, l’accumulateur ouvert tel que nous le connaissons est né. La première usine d’accumulateurs Tudor est construite à Rosport (Luxembourg), puis devant le succès grandissant, la production est délocalisée en France et en Belgique, puis vers l’Allemagne et l’Angleterre. Les frères Tudor sont aussi à l’origine du développement de la voiture électrique. Le château familial de Rosport fut la première demeure au monde, équipée d’une installation hydro-électrique complète.
Dégagements gazeux
Lors de la charge, une batterie au plomb ouverte libère de l’oxygène et de l’hydrogène dans les proportions exactes d’un mélange détonant. D’où la nécessité d’aérer son emplacement, et d’éviter flammes et étincelles. Les bouchons doivent être ôtés pendant l’utilisation du chargeur. Les coffres à batterie fermées sont prohibées.
Électrolyte
En raison de ses bouchons non étanches, une batterie ouverte doit être utilisée à plat, sinon l’électrolyte s’écoule et les plaques ne sont plus immergées. La recharge provoque l’électrolyse de l’eau, dont le niveau doit être complété régulièrement (eau distillée ou déminéralisée exclusivement, jamais d’acide !) La surcharge augmente le dégagement, d’où les risques de débordement et perte d’acide.
Corrosion
Les vapeurs et les projections d’acide sulfuriques sont corrosives. Il convient de neutraliser régulièrement l’emplacement de la batterie (eau + bicarbonate de soude).
Etat de charge
Il n’est pas simple de déterminer l’état de charge d’une batterie. Il faut la tester régulièrement. Une batterie au plomb doit toujours être maintenue chargée. Ne pas compter sur l’alternateur de bord pour recharger complètement une batterie déchargée.
Fin de vie
Une batterie au plomb s’use si l’on s’en sert. Et même si l’on ne s’en sert pas. On considère une batterie comme hors service quand elle a perdu 20 % de sa capacité nominale. Une batterie est en fin de vie bien avant d’être incapable d’assurer le démarrage du moteur.
Constitution d’une batterie conventionnelle
Les accumulateurs, ou éléments, sont groupés en série pour former une batterie au plomb. Les tensions individuelles s’additionnent, ainsi que les résistances internes. La tension à vide d’une batterie au plomb est d’environ 2 volts par élément. Nos batteries comportent six éléments, leur tension nominale est de l’ordre de 12 Volts. Une batterie chargée affiche une tension de 12,8 à 13 Volts. Si la tension au repos est inférieure à 11,5 Volts, la batterie est en fin de vie.
Plaques
Des plaques de plomb, en forme de grille pour la tenue mécanique, sont enduites de pâte active, et entrelacées. Dioxyde de plomb PbO2 de couleur brune pour les plaques positives, plomb spongieux de couleur grise pour les plaques négatives.
Séparateurs
Les plaques étant très proches, on les isole par des séparateurs isolants et poreux, souvent à base de cellulose.
Électrolyte
L’ensemble est plongé dans une solution d’acide sulfurique dilué (H2SO4), l’électrolyte. La densité de la solution est de 1,275 à 1,300 dans une batterie chargée. Chaque élément dispose d’un bouchon permettant le remplissage, et le dégagement des gaz produits pendant la charge. On distingue deux percées technologiques depuis la mise au point des premiers accumulateurs au plomb Tudor. Ces batteries restent toutefois des batteries au plomb, avec leur particularité.
Les batteries au plomb n’aiment pas rester déchargées !
Batteries « au gel » ou batteries gélifiées ou gell-cell
L’une des premières variantes apparues. L’électrolyte est immobilisé par un gel de silice, et le boîtier est fermé par des soupapes. L’acide risque moins de se renverser, la stratification est limitée.
Avantages
Ce type de batterie supporte assez bien les décharges importantes (mais il faut recharger sans délai), on l’emploie pour la traction des fauteuils et chariots électriques.
Inconvénients
Sous l’effet de la chaleur et des vibrations, il arrive que le gel se liquéfie. La résistance interne n’en favorise pas l’utilisation comme batterie de démarrage.
Pendant la charge, des micro-bulles apparaissent dans l’électrolyte, introduisant des vides dans le gel. En raison de l’immobilisation de l’acide, ces vides ne se comblent pas complètement à la recharge, et la surface d’échange diminue peu à peu.
La surcharge doit être évitée à tout prix.
Cette technologie n’a guère connu d’évolution récente. La résistance interne est un peu supérieure à celle des batteries RG (AGM), et les courants maximaux inférieurs.
Batteries à recombinaison de gaz
Beaucoup plus récentes, les batteries à recombinaison de gaz (RG) ou (AGM) sont apparues il y a une vingtaine d’années. L’électrolyte humecte des séparateurs en microfibres de verre, qui aident au maintien des plaques. Le boîtier étanche est fermé par une soupape antidéflagrante.
Avantages
Les avantages sont une excellente capacité, fort courant de décharge (démarrage), très faible taux d’auto-décharge, quasiment aucun dégazage. Ces modèles sont les plus résistants aux chocs et aux vibrations. Une batterie RG peut s’installer en toutes positions. Ce type de batterie est actuellement considéré comme le meilleur choix de batterie de démarrage.
Inconvénients
Ces batteries très techniques, supportent mal la surcharge, et s’accommodent mieux de chargeurs évolués.
Les batteries au plomb n’aiment pas rester déchargées !