Les différentes batteries

La domination de la batterie au plomb

La batterie au plomb, inventée par le physicien français Gaston Planté en 1839, domine la fonction d’accumulateur électrique depuis plus d’un demi-siècle. L’électricité est stockée de façon chimique entre une plaque positive en plomb brun et une autre négative en plomb gris. L’ensemble baigne dans un mélange liquide d’acide sulfurique et d’eau appelé électrolyte. Son rôle est de conduire les ions entre les deux plaques et le sens de leur déplacement dépend de la situation de charge ou de décharge. Les plaques génèrent une tension de 2 volts. Un élément de 2 V est constitué de plusieurs plaques branchées en parallèle et 6 éléments cloisonnés et branchés en série génèrent 12 V entre les deux bornes extérieures.

Batterie chargée, l’électrolyte a une densité de 1,28 kg/litre. Lors de la décharge, il s’appauvrit en ions et sa densité diminue jusqu’à environ 1,10 kg/l. Si la batterie est dotée d’orifice de remplissage, l’utilisation d’un densimètre permet une estimation facile de l’état de charge (il est nécessaire de se protéger contre le risque de projections d’acide) mais cette indication reste néanmoins imprécise car elle ne prend pas en compte la température et la stratification de l’acide (plusieurs couches de densité différente), ainsi que l’usure et la déminéralisation des plaques.

Deux phénomènes peuvent perturber le bon fonctionnement de la batterie. Du sulfate de plomb se dépose sur les plaques au cours de la décharge et disparaît avec la recharge. Si la batterie reste longtemps déchargée, les cristaux de sulfate de plomb durcissent et ne peuvent plus se dissoudre pendant la recharge. Cette sulfatation isole une partie des plaques et la performance de l’accumulateur est amoindrie. Il est donc préférable de stocker une batterie chargée.

Le deuxième phénomène est la perte d’eau de l’électrolyte due à une charge trop intense. Une partie de l’eau est transformée en gaz (oxygène et hydrogène). Si la batterie est munie d’orifice de dégazage (VRLA – Valve Regulated Lead Acid), les gaz vont s’échapper et il sera nécessaire de refaire le niveau ponctuellement. Dans les batteries dites étanches ou sans maintenance – donc sans possibilité de faire le complément – les gaz se retransforment en eau, sauf en cas de pression trop élevée qui aurait amené l’ouverture d’une vanne de sécurité.

Les batteries étanches sont généralement au plomb-calcium afin de réduire la vaporisation de l’eau. Le volume du bac est également supérieur pour limiter la pression lors de la vaporisation et pour assurer que l’électrolyte recouvre les plaques en permanence. D’autres batteries ont des plaques positives contenant de l’étain et de l’argent pour réduire leur corrosion à température élevée et/ou des plaques à grilles moulées et fines qui améliorent le fonctionnement à très basses températures.

Les batteries Gel et AGM

Les développements techniques ont amené deux autres types de batteries au plomb. Celles appelées Gel utilisent un électrolyte gélifié qui permet de placer la batterie avec moins de contrainte de positions car elles ne craignent plus les fuites. En outre, elles acceptent un nombre supérieur de cycles de charge et des décharges plus profondes. Les fuites électriques internes (auto-décharge) sont aussi moindres. Ces batteries sont par exemple utilisées lorsqu’elles sont logées dans l’habitacle.

La batterie AGM (Absorbent Glass Mat) est constituée d’électrolyte imbibé dans un tapis en fibre de verre microporeuse. Sa résistance interne est extrêmement faible et elle dégage très peu de chaleur, ce qui permet une réaction chimique particulièrement rapide. Elle offre une résistance aux cycles de charge trois fois supérieure à celles conventionnelles. La batterie AGM est de plus en plus employée dans l’automobile en raison de la fonction Stop-Start de coupure/redémarrage automatique du moteur (actuellement près de 70 % des véhicules vendus en Europe) et de l’alternateur piloté par le calculateur moteur qui imposent une grande souplesse des taux de charge et de décharge. Dans ce cas, la batterie est surveillée par un microcalculateur placé sur un shunt de la borne négative pour mesurer la tension, l’intensité et la température.

Les caractéristiques à savoir

La capacité d’une batterie à stocker une quantité d’électricité est donnée en Ampère-heure (Ah). En théorie, une batterie de 80 Ah peut délivrer 8 A pendant 10 h ou 80 A pendant 1 h. En réalité, la mesure est une décharge pendant 20 h avec un courant 20 fois inférieur à la capacité voulue (80 / 20 = 4 A dans notre cas) jusqu’à ce que chaque élément descende à 1,75 V. L’électrolyte doit être à 27 °C.

La capacité donnée en Ah est toujours accompagnée de la tension nominale (ex. : 12 V 80 Ah). Les ingénieurs préfèrent utiliser le kilowatt heure (kWh), une unité d’énergie normalisée plus complète car elle prend en compte la tension (1 kWh = 1 V x 1 A x 1 h). Cette unité est plus couramment utilisée pour caractériser les batteries des voitures à propulsion électrique.

La puissance est une autre donnée fondamentale, obtenue en multipliant la tension (V) par l’intensité (A). Elle permet de quantifier le courant nécessaire pour alimenter un composant. Par exemple, pourquoi utiliser un moteur électrique de 50 kW si la batterie ne monte pas au-dessus de 40 kW, et donc ne fournira pas assez de courant ? Une batterie au plomb de 12 V 80 Ah peut délivrer une puissance de 3 à 5 kW selon sa technologie.

Enfin, l’énergie massique est le nerf de la guerre des futures batteries. Elle caractérise le rapport entre sa capacité et son poids. Si la batterie au plomb offre aujourd’hui environ 30 Wh/kg, elle est largement supplantée par les nouvelles technologies. Attention, certains constructeurs annoncent des valeurs au niveau des cellules, donc sans prendre en compte le poids du caisson ou du système de refroidissement, ce qui n’est pas comparable évidemment.

Les nouvelles technologies

Les nouvelles technologies de batterie ont été motivées par l’électrification du moteur thermique et par la voiture électrique.
En 1995, les Peugeot 106 et Citroën Saxo électriques étaient équipées de batteries Saft au Nickel-Cadmium (Ni-Cd) offrant 40 à 55 Wh/kg (technologie inventée en 1892). Elles permettaient une autonomie maxi de 95 km à une vitesse stabilisée d’environ 50 km/h. Leur inconvénient était un “effet mémoire” qui imposait une décharge complète au risque de voir la capacité de stockage fortement réduite. Les constructeurs ont par la suite arrêté l’utilisation des batteries Ni-Cd, notamment en raison de la toxicité du cadmium.

Aujourd’hui, une majorité de voitures hybrides, par exemple la Toyota Prius, ont recours aux batteries Nickel-Hydrures métalliques (NiMH) disposant d’une énergie massique de 60 à 80 Wh/kg. Leur rendement n’est pas optimal car leurs cycles de charge/décharge induisent des pertes électriques qui se transforment en chaleur. Or, ce type de batterie est sensible aux températures élevées. Un système de refroidissement, généralement une ventilation pilotée, est alors nécessaire. Par ailleurs, le point de fin de charge de la batterie Ni-Cd est difficilement détectable.

La révolution technique qui a relancé la voiture électrique est la batterie à base de lithium-ion (li-ion). Elle se targue d’une énergie massique de 120 à 170 Wh/kg, soit 5 fois supérieure à celle au plomb. Il faut ainsi environ 200 kg de batterie li-ion pour une voiture électrique moderne alors qu’il lui aurait fallu 1 tonne en utilisant la technologie au plomb pour maintenir la même capacité !

Le lithium, un métal alcalin mou, est la matière solide la plus légère (masse volumique de 535 kg/m3). C’est en fait le sel de lithium sous forme liquide qui est utilisé pour l’électrolyte. Il est disponible en grande quantité à différents endroits de la planète et est en grande partie recyclable. Depuis sa première commercialisation par Sony Energitech en 1991, la batterie li-ion s’est rapidement imposée dans les petits consommateurs portables tels que les téléphones et ordinateurs. Par ailleurs, les batteries li-ion ne présentent pas d’effet mémoire. Ces éléments peuvent se présenter sous forme cylindrique (plaques enroulées en spirale), par exemple sur les Tesla, ou plus couramment prismatique (plaques planes).
Ce type de batterie doit faire face à deux contraintes majeures : un coût très élevé (200 à 300 dollars par kWh, mais continuellement en baisse) et la sécurité. Son fonctionnement optimal se situe entre 0 et 40 °C. En dessous de cette température, ses performances sont fortement diminuées et, au-delà des 80 °C, des fuites de lithium pourraient allumer un incendie si le produit venait en contact avec l’air ou l’eau. Il est donc nécessaire d’adjoindre un circuit de refroidissement à air ou par la circulation d’un liquide entre le bac de batteries et un échangeur thermique. Une température excessivement élevée peut être couramment atteinte lors d’une recharge trop rapide. Des courts-circuits internes pourraient également causer un embrasement. La température et les puissances transférées sont donc obligatoirement surveillées en différents points et l’électronique de contrôle peut limiter le courant en cas de risque de sortie de cette plage d’utilisation. Les batteries doivent aussi résister aux vibrations inhérentes aux véhicules routiers, notamment par un système d’amortissement dans leur boîtier.

Différentes lithium-ion

Plusieurs conceptions sont employées dans l’industrie automobile, principalement concernant les alliages sur la cathode. La batterie à base de manganèse et cobalt qui équipe notamment les Tesla est une des plus performantes mais demande un contrôle profond pour sa sécurité. Celle à manganèse fait un compromis entre la performance et le coût et équipe de nombreuses voitures électriques telles que la Renault Zoé ou la Nissan Leaf. La batterie phosphate est l’une des plus sûres car elle ne dégage pas d’oxygène, mais aux dépens d’une plus faible énergie massique (120 à 140 Wh/kg).

La batterie lithium-ion polymère (Li-Po) se distingue par sa plus grande sécurité grâce à son électrolyte en polymère gélifié, donc non liquide. L’énergie massique ne cesse de progresser, peut être aujourd’hui à 150 Wh/kg et son boîtier est moins encombrant car les batteries demandent une protection moindre.

Enfin, la batterie lithium métal polymère (LMP) délivre 110 Wh/kg et son encombrement est réduit grâce à sa structure en film mince. Son principal inconvénient est la température de fonctionnement assez élevée de son électrolyte, entre 80 et 90 °C, pour atteindre une conductivité suffisante. Cette caractéristique n’est pas un inconvénient si la voiture électrique est utilisée très fréquemment, par exemple celles de voitures de livraison ou en autopartage comme la Blue Car d’Autolib. Le lithium métal polymère est principalement proposé par la société française Batscap du groupe Bolloré.

Et demain ?

La batterie au plomb est parfois secondée par une supercapacité, notamment pour la fonction Stop-Start afin de continuer d’alimenter les autres consommateurs lors des nombreux démarrages. Sa puissance est nettement supérieure mais sa capacité de stockage reste faible, seulement 5,3 Wh/kg. PSA utilise ce dispositif e-Booster (DMTC - Dispositif de Maintien de Tension Continue) sur la gamme e-HDI à alterno-démarreur pour éviter une chute de tension à 7 V. La puissance électrique disponible passe ainsi de 5 kW pour la batterie seule à 8 kW avec l’apport de l’e-Booster. Elle permet également de descendre la température limite de fonctionnement de la fonction Stop-Start à -5 °C.
Un réseau à 48 V va bientôt apparaître, en parallèle de celui sous 12 V, pour alimenter les gros consommateurs électriques tels que l’assistance électrique de direction, la fonction Stop-Start qui multiplie par 6 à 10 le nombre de démarrages, l’ouverture électrique du hayon ou le prochain compresseur de suralimentation à entraînement électrique. La multiplication de la tension par 4 permettra notamment de réduire le poids et le coût des faisceaux en cuivre. L’architecture la plus plausible est une batterie et un alternateur sous 48 V et un convertisseur 48/12 V pour alimenter le réseau resté à 12 V.

La batterie li-ion remplacera dans certains cas celle au plomb sur des véhicules à moteur thermique dans le but de réduire le poids (ex. : option Porsche) ou d’accroître la récupération de l’énergie cinétique des voitures à alternateur piloté par le moteur. Ce choix sera plus fréquent sur les futurs hybrides abordables embarquant un alterno-démarreur de forte puissance (env. 8 kW).

Il serait peut-être encore possible de doubler la capacité massique de ces batteries mais les constructeurs travaillent déjà sur l’après li-ion. Deux des technologies les plus prometteuses sont l’aluminium-air et le lithium-air avec des capacités massiques annoncées pouvant atteindre 5 000 Wh/kg !

Yvonnick Gazeau