Choisir la technologie de batterie adaptée aux équipements du futur

Un extrait de «Batteries électriques pour applications portables et embarquées – Technologies » par Serge PÉLISSIER, Ali SARI et Pascal VENET

Compte tenu de la diversification des équipements, choisir une technologie d’accumulateur pour une application donnée mobilise des connaissances et des informations multiples. Chaque famille d’accumulateurs présente en effet des spécificités au niveau des caractéristiques en puissance ou en énergie. De plus, les conditions d’usage diffèrent d’une technologie à l’autre.

Accumulateurs NiCd

Les accumulateurs NiCd affichent de meilleures performances que celles des batteries au plomb, permettant leur essor depuis les années 1960, toutefois freiné par leur prix plus élevé.

Ils peuvent accepter des courants de décharge importants et fonctionnent dans une large plage de température. Par ailleurs, plus la tension de fin de décharge est faible, et plus la capacité déchargée peut être élevée. Toutefois, on constate l’apparition d’un effet mémoire ; ainsi, une cellule soumise à plusieurs cycles de décharge/recharge partiels sans être déchargée complètement perd de sa capacité.

Remarquables en termes de durée de vie et de fiabilité, ces batteries sont toujours employées de nos jours, mais leur utilisation est interdite en Europe en raison de la toxicité du cadmium qu’elles contiennent.

Accumulateurs NiMH

Ces batteries, dont la commercialisation a débuté, dans les années 90, présentent une densité d’énergie supérieure aux accumulateurs NiCd.

Cependant, du fait de ces dégagements gazeux qui peuvent survenir en fin de charge ou de décharge, la conception des batteries NiMH doit intégrer des dispositifs limitant les surpressions. Par ailleurs, le couple NiMH est plus énergétique et présente un auto-échauffement plus important. Le protocole de charge intègre donc une surveillance de la variation de la température associée à un dispositif de coupure pour limiter l’aspect exothermique. L’accumulateur NiMH supporte les décharges profondes grâce à la recombinaison, au niveau de l’électrode positive, de l’hydrogène qui se dégage. Mais, il n’est pas conseillé de pratiquer cette situation, car toute l’énergie électrique est transformée en chaleur.

Comparé aux batteries NiCd, la tension en fin de charge est moins élevée pour les NiMH, mais leur échauffement plus important impose des modes de charge différents, qui impose la surveillance du gradient de température de l’accumulateur. Les courants de décharge peuvent aller jusqu’à 12C et fonctionnent dans une large plage de température. Néanmoins, un stockage long est à proscrire au-dessus de 45 C°.

Accumulateurs lithium

Les accumulateurs lithium-métal polymère peuvent posséder de très bonnes performances, mais l’utilisation d’électrode négative en lithium métal pose aujourd’hui de gros problèmes de sécurité et de durée de vie, compte tenu de la formation de dendrites de lithium pouvant perforer le séparateur et donc engendrer un court-circuit. Pour éviter ces risques, on peut utiliser un électrolyte polymère qui constitue un obstacle aux courts-circuits.

Les accumulateurs lithium-ion (Li-ion), quant à eux, sont constitués d’une électrode négative utilisant un composé d’insertion à la place du lithium métallique. Chaque type de chimie de batterie lithium-ion possède des caractéristiques propres, leurs caractéristiques (tensions nominale, minimale et maximale, régime de courant, durée de vie, densité d’énergie, etc.) peuvent donc être différentes. De plus, l’utilisateur des accumulateurs doit respecter une plage de températures. Mais, les valeurs basses de température engendrant plusieurs phénomènes, une valeur de température limite est fixée par les constructeurs.

Des dispositifs de surveillance s’imposent par ailleurs afin de garantir le respect des limites de tension et de température. Enfin, la sécurité de leur fonctionnement dépend du choix des matériaux constitutifs, ainsi que des sécurités passive et active.

NiCd, NiMH ou lithium-ion ?

Les technologies au lithium se sont développées dans les applications où la densité d’énergie volumique et/ou massique est un argument important. Elles occupent actuellement pleinement le marché du stockage de l’énergie électrique.

La technologie NiMH occupe encore un créneau dans les applications où une notion d’interchangeabilité avec des piles existe.

La technologie NiCd, pour sa part, est interdite à la vente au grand public en Europe, sauf pour les systèmes d’urgence, d’alarme, d’éclairage de sécurité et les équipements médicaux. Son impact environnemental est en outre un inconvénient majeur en raison de la présence du cadmium qu’elle contient.

Les batteries NiMH ne contiennent pas de matériaux toxiques, mais en raison de la présence de terres rares, telle que le lanthane, leur recyclage est recommandé. Le risque toxicologie n’existe par ailleurs qu’en cas de manipulation de grande quantité de certains matériaux, lesquels devront en outre être recyclés.

Quel futur pour le lithium-ion ?

Les technologies utilisant le lithium-ion vont encore progresser en densité d’énergie, en durée de vie et en maturité industrielle. Des améliorations sont attendues par exemple en introduisant du silicium au niveau de l’électrode négative ou par l’utilisation de matériaux nanostructurés. Les technologies sodium-ion commencent à apparaître avec des performances prometteuses.

Beaucoup de travaux de recherche portent actuellement sur des technologies lithium « tout solide » utilisant des électrolytes solides et du lithium sous forme métallique. On peut donc s’attendre à ce que le domaine des accumulateurs portables connaisse dans les années à venir des changements importants.