Une batterie : les différentes technologies existantes

Il existe plusieurs technologies de batteries avec des caractéristiques différentes pour chaque type, nous allons voir dans cet article les avantages et inconvénients de chaque modèle.

Commençons par les lister, les batteries au plomb et acide plomb , les batteries NiMH, NiCd les batteries Lithium, LiMn, LiPo, LiFePO4

Tout d’abord, nous allons expliquer quelques termes techniques qui permettront par la suite de comparer ces technologies :

Capacité AhCourant stocké dans la batterie , permet de déterminer l’autonomie d’une batterieElle peut être de quelques mAh et peut aller jusqu’à plus de 200Ah pour des installations importantes
Tension (V) Niveau de tension de la batterie, doit être compatible avec les organes connectéesBatterie plomb en général 12V
Batterie Lithium de 12 V, 24V, 36V, 48V 60V, 72V suivant l’assemblage des cellules
Puissance (Wh)Résulte de la multiplication de la capacité de la tensionDans le domaine du VAE, les batteries standards ont une puissance de 500Wh en 36V soit 14Ah
Capacité, C quantité d’électricité que peut stocker ou restituer une batterie
généralement spécifiée en Ah pour un régime de décharge donné batterie de 10 Ah : peut débiter 5 A pendant 2 heures
Capacité , C..Spécifique à la caractéristique des batteries PlombBatterie C20 : 50Ah (signifie une capacité de 50Ah avec une décharge en 20h)
Batterie C100 : 90Ah (capacité de 90Ah avec une décharge en 100h)
Régime C/n niveau de courant permettant de (dé)charger complètement une batterie en n heures batterie de traction : spécifiée à C/5
batterie stationnaire : spécifiée à C/10
batterie de démarrage : spécifiée à C/20
SOC (State of Charge)état de charge d’une batterie, quantité d’électricité restante,SOC = 50 % : le réservoir est à moitié plein
DOD (Depth of Discharge)Etat de décharge d’une batterie, quantité d’électricité consomméeDOD + SOC = 100%
Energie spécifique énergie (en Wh/kg) que peut restituer une batterie, rapportée à sa masse batterie plomb : de 20 à 40 Wh/kg
lithium-ion énergie : jusqu’à 160 Wh/kg
Puissance spécifique puissance maximum (en W/kg) que peut fournir une batterie, rapportée à sa masse batterie plomb : jusqu’à 400 W/kg
lithium-ion : plusieurs kW/kg
SOH (State of Health)état de santé d’une batterie, que l’on estime généralement au travers de la capacitéfin de vie : Capacité (C) – 20 %

Les batteries au Plomb

Souvent utilisé comme batterie de démarrage sur la plupart de nos voitures, motos, quad, ces batteries sont réputées pour être robuste et peu onéreuse. Elles peuvent aussi être utilisées comme batterie de traction comme sur la plupart des chariots électriques de manutentions. En enfin utilisée en batterie stationnaire dans les installations par exemple de home Storage et photovoltaïques.

Les 2 premiers types d’application utilisent le plus souvent des batteries dites « ouvertes » à électrolyte liquide avec un échappement des gaz issus de l’électrolyse de l’eau au sein de la batterie. Cette réaction consomment l’eau de l’électrolyte et oblige ainsi des opérations de maintenance régulière pour refaire le niveau d’électrolyte par ajout d’eau. Les gaz produits sont le dihydrogène (gaz explosif si sa concentration dépasse 4% dans l’air)  et le dioxygène et nécessitent une ventilation suffisantes dans les locaux fermés.

Les batteries stationnaires sont des batteries dites « fermées », « étanches » à recombinaison des gaz avec une électrolyte sous forme de gel avec moins d’entretiens ( pas besoin de refaire le niveau). Elles ont par contre une durée de vie moins importante que les batteries Plomb ouverte.

AvantagesInconvénients
Batteries ouvertesFaible coût
Durée de vie plus importante (environ 1 500 cycles de charge/décharge)
Dégagement gazeux : nécessite des mesures de sécurité contraignantes du local des batteries.

Diminution du niveau de l’électrolyte : nécessite un entretien régulier

Batteries étanchesPas de dégagement gazeux extérieur donc pas de contrainte de sécurité.
Recombinaison de gaz : pas d’entretien.
Les coûts de fabrication et de conception des batteries étanches ainsi de leurs chargeurs sont plus importants.

Ces batteries fermées sont appelées batterie Gel. Leur masse importante par rapport à l’énergie embarquée n’est pas le critère le plus important pour des véhicules déjà très lourd.

Par contre pour une utilisation vélo, il sera impossible d’intégrer une batterie Plomb qui possède obligatoirement une forme cubique et encombrante.

Conseils d’utilisations

Il faut éviter de décharger complètement sa batterie plomb (décharge complète) afin d’éviter des dommages irréversibles.

Les batteries au Plomb ne peuvent pas subir de décharges profondes, à partir de ce principe il est important de noter que la capacité utile d’une batterie Plomb se situe entre 40 et 50% de sa capacité annoncée (valeur indiquée sur l’étiquette de la batterie). C’est à dire que si vous achetez une batterie au Plomb de 100Ah, en réalité vous aurez une capacité utile d’environ 50Ah (sans décharge profonde au delà de ces 50%).  Vous pouvez tout à fait décharger plus profondément votre batterie Plomb, mais elle va vite se détériorer, par exemple pour une installation solaire, ou les décharges peuvent atteindre 70% , il faudra remplacer vos batteries Plomb tous les ans.

De plus, les batteries au Plomb subissent un phénomène explicité par la loi de Peukert. Cette loi précise que plus une batterie délivre du courant (décharge rapide), plus sa capacité est réduite.( Influence du courant de décharge sur la capacité de la batterie, )

Courbe de décharge d'une batterie Plomb

Les batteries Lithium sont beaucoup moins sensibles à ce phénomène, Pour déterminer un équivalent de capacité entre une batterie Plomb et une batterie Lithium , tout en prenant en compte l’effet Peukert, il faut considérer que batterie Lithium aura 15 à 20% de capacité en plus qu’une batterie Plomb. C’est à dire qu’une batterie Plomb de 100Ah (valeur indiquée sur l’étiquette et non la valeur réelle), aura son équivalent aux alentours de 80Ah pour une batterie Lithium.

Il en est de même pour la charge, si vous ne rechargez pas correctement votre batterie, lentement et jusqu’à 100% de sa capacité, sa durée de vie va être rapidement réduite.

Batterie Gel / AGM

Les batteries au Plomb dernières générations sont des batteries étanches et sont appelées GEL ou AGM (Absorbed Glass Mat). En effet l’électrolyte liquide a été remplacé dans un cas par de l’électrolyte gélifiée et dans l’autre cas par de l’électrolyte immobilisé et absorbé par des plaques de fibres de verres qui font offices de buvards.

Les Batteries Plomb AGM sont principalement utilisées en batteries de secours, elles peuvent rester en charge la plupart du temps et ne se décharger que pendant les coupures d’alimentations. Parfaitement étanche, elles ne nécessitent aucun entretien, avec une auto décharge faible 2-3% par mois et ne sont pas sensibles aux chocs et vibrations.

Les Batteries GEL possèdent les mêmes caractéristiques que les batteries AGM mais sont adaptés à ces usages intensifs ( cyclage important) comme pour les véhicules de tractions (voiturette de golf, fauteuil roulant , chariot élévateur, auto laveuse) et permettent d’avoir des décharges supérieures à 50% (idéal pour les bateaux ,les camping-car et les installations solaires avec panneaux photovoltaïques )

Les batteries plomb à plaques tubulaires sont des batteries semi-stationnaire,  Elles sont spécialement adaptées aux applications de cyclage, traction et décharge lente. Elles supportent très bien les décharges jusqu’à 80 % de profondeur de décharge. La durée de vie des batteries à plaques Tubulaires est le double par rapport aux batteries à plaques planes. Ces batteries nécessitent un mise à niveau du niveau d’électrolyte lorsque nécessaire.

Principales applications et domaines d’utilisations : éolien, signalisation, camping-car, marine et nautisme, clôture, traction légère, véhicule électrique, nacelles, transpalette électrique.

En résumé, avec une batterie Plomb, le cout d’achat est faible mais son remplacement est plus fréquent et la capacité restituée est très en dessous de la valeur théorique (loi de Peukert,)

Avantages:
  • Batterie peu onéreuse
  • Peu d’entretien (version étanche)
Inconvénients :
  • Son poids
  • Son encombrement, Géométrie simple / cubique obligatoire
  • Sa durée de vie environ 200 cycles
  • Baisse de capacité importante par rapport aux variations de température ambiante
  • Temps de charge long
AvantagesInconvénients
Batterie peu onéreuseSon poids
Peu d’entretien (version étanche)Son encombrement, Géométrie simple / cubique obligatoire
Sa durée de vie environ 200 cycles
Baisse de capacité importante par rapport aux variations de température ambiante
Temps de charge long

Densité énergétique des batteries Plomb : 35 Wh / kg

Les Batteries Ni-Cd, Ni-Mh

Définitions :

Ni-Cd : Nickel Cadmium

Ni-Mh : Nickel Métal hydrure

Ni-Cd

Une des premières alternatives technologiques aux batteries Plomb. Une batterie sans entretien qui présente une énergie spécifique supérieure à celle des batteries au plomb (+20%, 40 Wh /kg)), elle a aussi une durée de vie plus grande (1000 cycles de charge /décharge) . Son utilisation est aujourd’hui bannie à cause de sa toxicité.

Principal inconvénient, elles doivent être complètement déchargées avant d’être rechargées sinon elles perdent très rapidement leurs capacités d’origine (effet mémoire) Principal avantage, prix faible.

Ni-Mh

Technologies plus récentes, années 90, non toxique et capacité de stockage encore supérieure (  60 Wh /kg). Ce type de pile s’imposa rapidement et est encore beaucoup utilisé dans l’industrie et pour le grand public, la majorité des piles présentes dans notre maison sont des piles Ni-Mh, pile «télécommande tv, voiture téléguidés etc… Ces batteries sont généralement sous formes cylindriques  avec des tailles différentes (AAA, AA, LR, C, D, etc )

Pas d’effet mémoire, peuvent être maintenus en charge sans dégradation, utilisé dans le domaine de l’aéronautique comme batteries de secours.

Les batteries Lithium

Les 2 principales technologies utilisées de nos jours dans la plupart des installations stationnaires sont le lithium Manganèse LiMn et le lithium Fer Phosphate LiFePO4 ou LFP . La principale différence entre ces technologies est le nombre de cycle de charge et de décharge admissible, en résumé leur durée de vie. Une batterie LiMn accepte entre 500 et 600 cycles de charge/ décharge. Alors qu’une batterie avec des cellules LFP peut accepter jusqu’à 3000 cycles de charge / décharge.

On considère un cycle de charge/ décharge à chaque fois que la batterie est utilisée et quelle est ensuite rechargée quelques soit son niveau (à moitié vide, presque vide/pleine).

La troisième grandes technologies de batterie Lithium est le Lithium Polymère (Li-Po) avec la densité énergétique la plus élevé pour le Lithium autour des 180 Wh / kg

Les batteries Lithium n’ont aucun effet mémoire et peuvent être rechargées à n’importe quel niveau de charge.

Lithium Polymère LiPo

Les batteries Lithium Polymère sont les plus compactes des batteries Lithium, utilisées principalement pour des applications où l’encombrement et la masse sont primordiaux. Comme pour les téléphones portables, tablettes et dans le modélisme. Elles se composent de produits souples , électrolyte sous forme de gel et d’une couche de protection extérieure très fine, ces batteries sont très fragiles et peuvent exploser dans de rare cas. Ces batteries, avec le temps et les différences de température répétées, gonflent et peuvent déchirer le sachet souple extérieur, entrainant les mêmes dégradations qu’explicitées précédemment. En cas de perforation de l’enveloppe extérieure, la batterie peut rapidement prendre feu ou même exploser.

Lithium Manganèse LiMn

Les batteries LiMn nom exact LiMn2CO4, principale technologie utilisé sur la plupart des véhicules électrique comme les vélos, trottinettes et la majorité des vapoteuses du marché. Elles sont composées de cellules en forme cylindrique plus grosse que les piles AA de nos télécommandes. Il s’agit de cellules rechargeables 18650, ces cellules font 18mm de diamètre et 65mm de haut. Elles pèsent environ 50g. Elles peuvent avoir des capacités de 2000mAh à 3500mAh et des courants de décharge de 5A à 30A. Ils existent des centaines de référence de cellules, les plus grandes marques sont SAMSUNG, SONY, LG, SANYO. Ces grandes marques ont une gamme complète de cellule 18650 comme des constructeurs de voitures. Il y a les modèles d’entrées de gamme jusqu’au modèle premium. Chez OZO, toutes nos batteries sont réalisées avec les meilleurs cellules de chaque fabricant, 30Q (3000mAh pour 15A max de chez SAMSUNG), VTC6 (3000mAh pour 30A max) de chez SONY (utilisée dans la majorité des vapoteuses et des aspirateurs Dyson), MJ1 (3500mAh pour 10A max) de chez LG et GA (3500mAh pour 10 A max) de chez Sanyo. Ces modèles sont les plus performants et les plus robustes des cellules 18650 du marché. 99% des piles au format 18650 sont de technologie LiMn.

Les cellules 21700 par analogie aux précédentes explications font 21mm de diamètre et 70mm de haut. Ces cellules sont en train de se développer dans la plupart part des batteries d’outil électroportatifs, les vapoteuses et les voitures électriques. Ces cellules de dimensions plus élevées peuvent accepter des courants de décharge jusqu’à 45A et des capacités jusqu’à 5000mAh. Le ratio capacité / encombrement est équivalent aux cellules 18650. Dans un volume figé, nous aurons besoin d’installer moins de cellule 21700 que de cellule 18650.

Lithium Fer Phosphate LiFePO4 LFP

Crée au milieu des années 90, de technologie plus robuste, cet alliage permet de créer des batteries de puissance, alors réservé uniquement aux batteries Plomb. Avec une tension par cellule de 3,2V, les batteries LFP 12V ont une tension très proche des batteries Plomb. Elles ont une densité énergétique inférieur aux autres batteries mais de par leur design et forme, elles sont beaucoup plus sécurisées.

La variation de tension d’une batterie Lithium et en particulier celle des batteries LiFEPO4est très faible lors de sa décharge (cf courbe ci-après ). Principal avantage, même déchargé à 20%, elle aura quasiment la même tension qu’à 80% de charge. Inconvénient, il est très difficile d’estimer le SoC d’une batterie Lithium juste en mesurant la tension à vide.

Observations :
Courbe typique de decharge d'une batterie lithium ion

La tension à vide et en charge d’une batterie peut varier de plusieurs Volts suivant la sollicitation de la batterie.

Contrairement aux batteries Plomb, les pertes liées à la loi de Peukert sont très faibles, cela veut dire qu’une batterie Lithium va avoir la même capacité quelques soit la valeur du courant de décharge.

Courbe de décharge

Assemblage des batteries entre elles

Les 2 principales technologies utilisées de nos jours dans la plupart des installations stationnaires sont le lithium Manganèse LiMn et le lithium Fer Phosphate LiFePO4 ou LFP . La principale différence entre ces technologies est le nombre de cycle de charge et de décharge admissible, en résumé leur durée de vie. Une batterie LiMn accepte entre 500 et 600 cycles de charge/ décharge. Alors qu’une batterie avec des cellules LFP peut accepter jusqu’à 3000 cycles de charge / décharge.

On considère un cycle de charge/ décharge à chaque fois que la batterie est utilisée et quelle est ensuite rechargée quelques soit son niveau (à moitié vide, presque vide/pleine).

La troisième grandes technologies de batterie Lithium est le Lithium Polymère (Li-Po) avec la densité énergétique la plus élevé pour le Lithium autour des 180 Wh / kg

Les batteries Lithium n’ont aucun effet mémoire et peuvent être rechargées à n’importe quel niveau de charge.

3 types de schémas de branchement possible :
  • série afin d’additionner la tension mais pas la capacité , il est possible de mettre autant de batterie que souhaité, si vous avez 4 batteries de 12V 50Ah en série, vous obtiendrez avec ce montage , une batterie de 4×12 = 48V 50ah. Avec seulement 2 batteries, 2×12 = 24V 50Ah. Pour connecter des batteries en série, il faut brancher la borne + de la première batterie sur la borne – de la deuxième, la tension globale sera prise entre les 2 bornes restantes ( cf. schéma ci-après)
  • parallèle afin d’additionner la capacité ( l’autonomie) mais pas la tension , comme pour la tension, plusieurs batteries de même tension et capacité peuvent être connectées en parallèle. Même exemple que précédemment avec 4 batteries de 12V 50Ah en parallèle, la capacité obtenue est 50×4 = 200Ah toujours avec une tension de 12V. Avec 2 batteries, 2 x50Ah = 12V 100Ah. Pour connecter des batteries en parallèles, toutes les bornes + doivent être connectées ensemble et toutes les bornes – doivent être connectées ensemble. (cf. schéma ci-après)
  • série + parallèle, il est possible de cumuler les 2 branchements avec un nombre minimal de batterie, à savoir 4 batteries. Ce branchement permet d’augmenter la tension et la capacité. Afin de respecter les mêmes tensions et les mêmes capacités, il faudra toujours utiliser un nombre pair de batteries (4, 6, 8,10 etc…).
Les différentes configurations de câblage

Assemblage des batteries entre elles

Comparatif des caractéristiques des différentes technologies de batteries pour une batterie de 1000W (tension et capacité)
PlombNi-CdNi-MhLithium LiFePO4Lithium LiMn
Prix du kWh110,00 €400,00 €400,00 €400,00 €350,00 €
Énergie Massique (Wh / kg)35406090120
MaintenanceMise à niveau du liquide d’électrolyteAucunAucunAucun
Autodécharge5%15%25%2-3%2-3%
Capacité max50% de la charge100% de la charge100% de la charge
Temps de charge8-10h5h3-5h2-3h2-3h
Durée de vie300 – 500 cycles1000 – 1500 cycles1000 cycles > 3000 cycles600 cycles
Diagramme de Ragone
Diagramme de Ragone

Ce diagramme permet rapidement d’observer les qualités des batteries Lithium ion par rapport aux batterie Plomb, super-condensateur et batteries Alcaline, en terme de quantité d’énergie embarquée  pour une masse finie.

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