Types de batteries Batteries primaires

Quels sont les différents Quels sont les différents types de piles? Primaire, rechargeable, li-ion


Dans ce didacticiel, nous étudierons l’un des composants importants des systèmes électriques et électroniques: une batterie. Nous verrons quelques informations de base sur une batterie, examinerons différents types de batteries et un guide sur le type de batterie adapté à votre application.

introduction

Que vous soyez ingénieur électricien ou non, vous avez peut-être rencontré au moins deux types de piles différents dans votre vie. Certains des endroits où vous utilisez des piles sont des horloges murales, des alarmes ou des détecteurs de fumée qui utilisent de petites piles jetables ou des voitures, des camions ou des motocycles qui utilisent des piles rechargeables relativement grandes.

Les piles sont devenues une source d’énergie très importante au cours des dix dernières années environ. Même avant cela, ils faisaient partie intégrante de nos vies en alimentant plusieurs appareils portables tels que radios à transistors, Walkman, jeux portables, appareils photo, etc.

Mais avec le développement des téléphones intelligents avancés, des tablettes, des ordinateurs portables, de l'énergie solaire et des véhicules électriques, la recherche de batteries puissantes pouvant durer plus longtemps et fournir l'énergie nécessaire a atteint son apogée.

En fait, le prix Nobel de chimie 2019 a été attribué à trois scientifiques, John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham et Akira Yoshino, pour le développement de batteries lithium-ion.

Qu'est-ce qu'une batterie?

Une batterie est un dispositif chimique qui stocke de l'énergie électrique sous forme de produits chimiques et convertit l'énergie chimique stockée par réaction électrochimique en énergie électrique à courant continu. Alessandro Volta, physicien italien, a inventé la première batterie en 1800.

La réaction électrochimique dans une batterie implique le transfert d'électrons d'un matériau à un autre (appelés électrodes) via un courant électrique.

Cellule et batterie

Même si le terme batterie est souvent utilisé, l'unité électrochimique de base responsable du stockage effectif de l'énergie s'appelle une cellule. Comme on vient de le dire, une cellule est l’unité électrochimique fondamentale qui est la source d’énergie électrique produite par la conversion d’énergie chimique.

Dans sa forme de base, une cellule contient généralement trois composants principaux: deux électrodes et un électrolyte, ainsi que des terminaux, un séparateur et un conteneur. En parlant d'électrodes, il existe deux types d'électrodes appelées anode et cathode.

L'anode est l'électrode négative (également appelée électrode à combustible ou électrode réductrice). Il perd des électrons au circuit externe et dans la réaction électrochimique, il s'oxyde.

La cathode, par contre, est l'électrode positive (également appelée électrode oxydante). Il accepte les électrons du circuit éternel et dans la réaction électrochimique, il est réduit. Par conséquent, la conversion d'énergie dans une batterie est due à la réaction d'oxydoréduction électrochimique.

Le troisième composant important d'une cellule est l'électrolyte. Un électrolyte joue le rôle de milieu de transfert de charge sous forme d’ions entre les deux électrodes. Par conséquent, l'électrolyte est parfois appelé conducteur ionique. Il convient de noter ici que l’électrolyte n’est pas électriquement conducteur, il a simplement une conductivité ionique.

Une batterie consiste souvent en une ou plusieurs «cellules» connectées électriquement en configuration série ou parallèle afin de fournir les niveaux de tension et de courant nécessaires.

Différents types de piles

Fondamentalement, toutes les cellules et batteries électrochimiques sont classées en deux types:

  • Primaire (non rechargeable)
  • Secondaire (rechargeable)

Bien qu'il existe plusieurs autres classifications au sein de ces deux types de piles, ces deux types sont les types de base. En termes simples, les piles primaires sont des piles non rechargeables, c’est-à-dire qu’elles ne peuvent pas être rechargées électriquement, alors que les piles secondaires sont des piles rechargeables, c.-à-d. Qu’elles peuvent être rechargées électriquement.

Batteries primaires

Une batterie principale est l’une des sources d’alimentation simples et pratiques pour plusieurs appareils électroniques et électriques portables, tels que des lampes, des appareils photo, des montres, des jouets, des radios, etc. Comme ils ne peuvent pas être rechargés électriquement, ils peuvent être utilisés. c'est le type.

Habituellement, les batteries primaires sont peu coûteuses, légères, petites et très pratiques à utiliser avec relativement peu ou pas d’entretien. La majorité des batteries primaires utilisées dans les applications domestiques sont du type à une cellule et viennent généralement dans une configuration cylindrique (bien qu'il soit très facile de les produire dans différentes formes et tailles).

Types de batteries principales communes

Jusque dans les années 1970, les piles à base d’anodes au zinc étaient les types de piles primaires prédominants. Pendant les années 1940, la Seconde Guerre mondiale et après la guerre, les batteries à base de zinc-carbone ont une capacité moyenne de 50 Wh / kg.

Le développement le plus significatif de la technologie des batteries a eu lieu au cours de la période 1970-1990. C’est pendant cette période que les fameuses piles au zinc et au dioxyde de manganèse alcalin ont été mises au point et qu’elles ont peu à peu remplacé les anciens types de zinc-carbone en tant que pile principale.

Types de batteries Batteries primaires

Des piles zinc-oxyde mercurique et cadmium-oxyde mercurique ont également été utilisées au cours de cette période, mais en raison des préoccupations environnementales liées à l'utilisation du mercure, ces types de piles ont été progressivement éliminées.

C’est au cours de cette période que le développement de piles au lithium comme matériau d’anode active a commencé et est considéré comme une réalisation majeure en raison de la grande énergie spécifique et de la durée de conservation plus longue des piles au lithium par rapport aux piles au zinc traditionnelles.

Les piles au lithium sont fabriquées comme des piles bouton et des piles bouton pour une gamme d'applications spécifique (telles que les montres, la sauvegarde de la mémoire, etc.), tandis que des piles de type cylindrique plus grandes sont également disponibles.

Le tableau suivant présente différents types de batteries primaires ainsi que leurs caractéristiques et leurs applications.

Type de batterie

Caractéristiques

Applications

Zinc – Carbone

Commun, faible coût, variété de tailles

Radios, jouets, instruments

Magnésium (Mg / MnO2)

Grande capacité, longue durée de vie

Radios militaires et aéronautiques

Mercure (Zn / HgO)

Très grande capacité, longue durée de vie

Médical (prothèses auditives, stimulateurs cardiaques), photographie

Alcaline (Zn / Alcaline / MnO2)

Très populaire, coût modéré, haute performance

Batteries primaires les plus populaires

Argent / Zinc (Zn / Ag)2O)

Capacité maximale, coût élevé, décharge plate

Prothèses auditives, photographie, téléavertisseurs

Lithium / Cathode Soluble

Haute densité d'énergie, bonnes performances, large plage de température

Large gamme d'applications d'une capacité comprise entre 1 et 10 000 Ah

Lithium / Cathode Solide

Haute densité d'énergie, performances à basse température, longue durée de vie

Remplacement des piles bouton et cylindriques

Lithium / électrolyte solide

Faible consommation d'énergie, durée de vie extrêmement longue

Circuits de mémoire, électronique médicale

Piles Secondaires

Une batterie secondaire est également appelée batterie rechargeable car elle peut être rechargée électriquement après la décharge. Le statut chimique des cellules électrochimiques peut être «rechargé» à son état d'origine en faisant passer un courant à travers les cellules dans le sens opposé de leur décharge.

Fondamentalement, les batteries secondaires peuvent être utilisées de deux manières:

Dans la première catégorie d'applications, les batteries secondaires sont essentiellement utilisées comme dispositifs de stockage d'énergie lorsqu'elles sont connectées électriquement à une source d'énergie principale et également chargées par celle-ci et fournissant de l'énergie en cas de besoin. Les exemples de telles applications sont les véhicules électriques hybrides (HEV), les alimentations sans interruption (UPS), etc.

La deuxième catégorie d'applications des batteries secondaires est celle des applications dans lesquelles la batterie est utilisée et déchargée en tant que batterie principale. Une fois la batterie complètement déchargée (ou presque complètement), au lieu de la jeter, la batterie est rechargée avec un mécanisme de charge approprié. Tous les appareils électroniques portables modernes tels que les mobiles, les ordinateurs portables, les véhicules électriques, etc. sont des exemples de telles applications.

La densité d'énergie de la batterie secondaire est relativement inférieure à celle des batteries primaires, mais présente d'autres caractéristiques intéressantes telles qu'une densité de puissance élevée, des courbes de décharge plates, un taux de décharge élevé et des performances à basse température.

Types de batteries secondaires communes

Deux des batteries les plus anciennes sont en fait des batteries secondaires appelées batteries au plomb-acide, qui ont été développées à la fin des années 1850 et des batteries au nickel-cadmium, développées au début des années 1900. Jusqu'à récemment, il n'y a que deux types de piles secondaires.

Les premières et les plus courantes des piles rechargeables sont appelées piles au plomb. Ils sont basés sur le plomb – dioxyde de plomb (Pb – PbO2) couple électrochimique. L'électrolyte utilisé dans ces types de batteries est l'acide sulfurique très répandu.

Le second type de piles rechargeables s'appelle des piles au nickel-cadmium. Ils sont basés sur l'oxyhydroxyde de nickel (oxyde de nickel) en tant qu'électrode positive et sur une électrode négative à base de cadmium. En ce qui concerne l'électrolyte, une solution alcaline d'hydroxyde de potassium est utilisée.

Au cours des dernières décennies, deux nouveaux types de piles rechargeables ont vu le jour. Il s’agit de la pile à hydrure de nickel-métal et de la pile au lithium-ion. Parmi ces deux batteries, la batterie lithium-ion a changé la donne et est devenue supérieure sur le plan commercial grâce à ses chiffres d'énergie spécifique et de densité d'énergie élevés (150 Wh / kg et 400 Wh / L).

Il existe d'autres types de batteries secondaires, mais les quatre types principaux sont:

  • Batteries au plomb
  • Piles au nickel-cadmium
  • Piles nickel-hydrure métallique
  • Batteries lithium-ion

Voyons maintenant brièvement à propos de ces types de batterie individuellement.

Batteries au plomb

Les batteries au plomb sont de loin les batteries rechargeables les plus utilisées et les plus utilisées. Ils ont été un produit à succès depuis plus d'un siècle. Les batteries plomb-acide sont disponibles dans plusieurs configurations différentes, telles que des petites cellules scellées d'une capacité de 1 Ah à des grandes cellules d'une capacité de 12 000 Ah.

L’une des principales applications des batteries au plomb-acide est utilisée dans l’industrie automobile, car elles sont principalement utilisées comme batteries SLI (démarrage, éclairage et allumage).

Les autres applications des batteries au plomb comprennent le stockage d'énergie, l'alimentation de secours, les véhicules électriques (même hybrides), les systèmes de communication, les systèmes d'éclairage de secours, etc.

Le large éventail d'applications des batteries au plomb-acide résulte de ses vastes plages de tension, de ses formes et de ses tailles différentes, de son faible coût et de sa maintenance relativement facile. Comparées aux autres technologies de batteries secondaires, les batteries plomb-acide sont l’option la moins chère pour toutes les applications et offrent de très bonnes performances.

Le rendement électrique des batteries au plomb varie entre 75 et 80%. Cette valeur d’efficacité leur permet de stocker de l’énergie (onduleurs) et des véhicules électriques.

Piles au nickel-cadmium

Les piles au nickel-cadmium ou tout simplement les piles au Ni-Cd sont l’un des types de piles les plus anciens disponibles à ce jour, avec les piles au plomb. Ils ont une très longue durée de vie et sont très fiables et robustes.

L'un des principaux avantages des batteries Ni-Cd est qu'elles peuvent être soumises à des taux de décharge élevés et qu'elles peuvent fonctionner dans une plage de températures étendue. De plus, la durée de vie des piles Ni-Cd est très longue. Le coût de ces batteries est plus élevé que celui des batteries au plomb-acide, mais il est inférieur à celui des autres types de piles alcalines.

Comme mentionné précédemment, les batteries Ni-Cd utilisent l'oxyhydroxyde de nickel (NiOOH) comme cathode et le cadmium métallique (Cd) comme anode. Les batteries de consommation courante sont livrées avec une tension en ligne de 1,2V. Dans les applications industrielles, les batteries Ni-Cd ne sont que les secondes derrière les batteries plomb-acide en raison de leurs performances à basse température, de leur tension de décharge plate, de leur longue durée de vie, de leur faible entretien et de leur excellente fiabilité.

Malheureusement, il existe une caractéristique majeure des batteries Ni-Cd appelée «effet mémoire», qui est leur seul inconvénient. Lorsque les cellules Ni-Cd sont déchargées partiellement puis rechargées, elles perdent progressivement leur capacité, c’est-à-dire cycle par cycle. Le «conditionnement» est le processus par lequel la capacité perdue des batteries peut être restaurée.

Dans ce processus, les cellules sont complètement déchargées à zéro volt et ensuite complètement rechargées.

Piles nickel-hydrure métallique

Ce type de batterie relativement nouveau est une version étendue des batteries à électrode nickel-hydrogène, qui étaient exclusivement utilisées dans les applications aérospatiales (satellites). L'électrode positive est l'oxyhydroxyde de nickel (NiOOH), tandis que l'électrode négative de la cellule est un alliage métallique dans lequel l'hydrogène est stocké de manière réversible.

Types de piles Ni-Cd

Pendant la charge, l'alliage métallique absorbe l'hydrogène pour former un hydrure métallique et lors de la décharge, l'hydrure métallique perd de l'hydrogène.

L'un des principaux avantages des batteries nickel-hydrure métallique par rapport aux batteries Ni-Cd est sa densité d'énergie spécifique et énergétique supérieure. Les batteries nickel-métal hydrure scellées sont disponibles dans le commerce sous forme de petites cellules cylindriques et sont utilisées dans les appareils électroniques portables.

Batteries lithium-ion

L'émergence des batteries lithium-ion au cours des deux dernières décennies a été assez phénoménale. Plus de 50% du marché de consommation a adopté l'utilisation de batteries lithium-ion. Les ordinateurs portables, les téléphones mobiles, les appareils photo, etc. sont les applications les plus importantes des batteries lithium-ion.

Types de piles Image vedette

Les batteries lithium-ion ont une densité d'énergie considérablement élevée, une énergie spécifique élevée et une durée de vie du cycle plus longue. Les autres avantages principaux des batteries lithium-ion sont leur faible taux d'autodécharge et leur large plage de températures de fonctionnement.

Applications de la batterie

Au cours des dernières décennies, l'utilisation de petites batteries scellées dans les applications grand public a été exponentielle. Les piles primaires ou rechargeables au format compact sont utilisées dans un très grand nombre d’appareils. Certains d'entre eux sont mentionnés ci-dessous.

  • Appareils électroniques portables: Montres, appareils photo, téléphones portables, ordinateurs portables, caméscopes, calculatrices, équipement de test (multimètres).
  • Divertissement: Radios, lecteurs MP3, lecteurs CD, toutes les télécommandes infrarouges, jouets, jeux, claviers.
  • Ménage: Horloges, alarmes, détecteurs de fumée, lampes de poche, UPS, lampes de secours, brosses à dents, tondeuses et rasoirs pour cheveux, moniteurs de pression artérielle, prothèses auditives, stimulateurs cardiaques, outils électriques portables (perceuses, tournevis).

Comment choisir une batterie?

La sélection d'une batterie pour votre application peut être réduite à deux caractéristiques: performances et coût. Mais si nous creusons un peu plus loin, les éléments suivants sont déterminants pour choisir la batterie adaptée à votre application.

  • Primaire ou secondaire
  • Energie ou pouvoir
  • Durée de vie
  • Efficacité énergétique et taux de recharge
  • Vie de la batterie
  • Température de la batterie



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