Comment fonctionnent les batteries ?

La batterie a profondément bouleversé notre mode de vie. Et pour cause, ce dispositif technologique est l'un des plus populaires aujourd'hui. Elle est présente dans quasiment tous nos appareils mobiles et leur permet de fonctionner loin d'une prise électrique.

Alors, comment y parvient-elle ? SirEnergies plonge au cœur de ces dispositifs pour vous l'expliquer.

Comment une batterie produit de l'électricité ?

Une batterie assure le stockage de l'électricité en vue de son utilisation ultérieure. Elle contient toujours une électrode positive et une électrode négative, toutes deux immergées dans un bain d'électrolyte. Contrairement aux piles, les batteries sont basées sur un système réversible, c'est-à-dire qu'elles sont capables de se recharger après une décharge.

Dès qu'une charge est connectée aux deux électrodes d'une batterie (réalisant ainsi un circuit fermé), une réaction chimique d'oxydation se déroule au niveau de la plaque négative, c'est-à-dire une perte d'électrons. À l'inverse, la plaque positive subit une réduction, c'est-à-dire un gain d'électrons à cette phase de décharge.

Le déplacement des charges électrochimiques sous forme d'ions est facilité par la présence de l'électrolyte. Aussi longtemps que les ions se déplacent d'une électrode à l'autre, le flux constant d'électrons est maintenu, ce qui crée l'énergie nécessaire au fonctionnement des appareils. Lors d'une recharge, c'est le processus inverse qui se déroule. Les ions se déplacent alors de l'anode à la cathode et cette dernière perd des électrons.

Les caractéristiques importantes d'une batterie

Toutes les batteries, quelle que soit leur technologie, présentent des caractéristiques communes : leur tension, leur capacité et leur durée de vie.

La tension et la capacité

Exprimée en volts, la tension est en général de 12 V pour les petites batteries rechargeables. Elle peut également atteindre 48 V, mais dans un cas comme dans l'autre, de petits éléments séparés de 2 V sont utilisés et assemblés en série.

En ce qui concerne la capacité de stockage, elle est exprimée en ampères-heures ou Ah. Elle désigne la quantité d'énergie disponible instantanément. Elle peut être augmentée en branchant plusieurs batteries en parallèle.

Lorsque l'on multiplie ces deux paramètres, on obtient la quantité d'électricité emmagasinée en kWh. Une batterie de 12 V - 200 Ah, par exemple, contient en théorie 2 400 Wh, soit 2,4 kWh. Cependant, en pratique, toute cette énergie accumulée n'est pas accessible à l'utilisation. La décharge ne doit pas excéder 10 à 15 % de la capacité de la batterie afin de la protéger d'une dégradation rapide.

La durée de vie

Les batteries peuvent se recharger certes, mais cette opération ne peut être réalisée à l'infini. Après un certain nombre de cycles (période de charge et de décharge), les batteries finissent par perdre de leur capacité et nécessitent d'être remplacées. Ce nombre de cycles est donc une métrique importante relative au fonctionnement d'une batterie.

Les différents types de batteries

Il existe différentes technologies de batteries présentes sur le marché. Elles possèdent toutes leurs propres spécificités. Il s'agit entre autres des batteries lithium-ion (Li-ion), des batteries au nickel et des batteries au plomb.

Les batteries lithium-ion

Les batteries qui embarquent la technologie lithium-ion sont sans doute les plus populaires du marché. Cela s'explique notamment par leur densité d’énergie supérieure à celle des batteries au nickel ou au plomb.

De ce fait, leur miniaturisation est bien plus poussée pour une autonomie égale. De plus, le lithium est l'élément chimique le plus électropositif, c'est-à-dire celui qui perd le plus facilement ses électrons. Cette caractéristique lui permet de produire facilement beaucoup d'énergie. Pas surprenant que la plupart des voitures électriques fonctionnent avec des batteries conçues avec cette technologie de référence.

Les batteries Li-ion ont par ailleurs un taux de décharge très bas, ce qui fait qu'elles perdent peu d'énergie lors de leur stockage. Elles peuvent également être rechargées à tout moment, même après une décharge partielle. De plus, les matériaux qui entrent dans leur fabrication sont bien moins polluants que ceux des autres types de batteries.

Les batteries au plomb

Ces batteries peuvent être ouvertes avec un électrolyte d'acide sulfurique dilué ou fermées avec un électrolyte gélifié. Les premières sont des accumulateurs très fiables. Elles ont toutefois tendance à être fortement influencées par la température externe qui peut baisser drastiquement leur capacité.

Quant aux secondes, leur manipulation est facile et leur stabilité est parfaitement assurée par le fabricant. Elles peuvent fournir en moyenne 400 cycles à 80 % de décharge.

Les batteries au nickel

On retrouve en général deux types de batteries au nickel : les batteries nickel métal hydrure (NiMH) et les batteries nickel-cadmium (NiCd) qui sont devenues très rares.

Les NiMH présentent une densité d'énergie bien supérieure, ce qui leur assure une meilleure autonomie. Ces batteries, contrairement aux variantes Li-ion, ne doivent être rechargées qu'une fois complètement déchargées. De même, leur taux d'autodécharge est très élevé, ce qui implique une perte rapide de charge en cas de stockage.

Quant aux batteries nickel-cadmium, leur robustesse et leur fiabilité sont prouvées par temps chaud et froid. Elles affichent également une longue durée de vie si elles sont entretenues correctement.

En définitive, les batteries fonctionnent peu ou prou sur le même principe : en circuit fermé, une réaction chimique s'effectue au niveau de leurs électrodes positives et négatives assurant une circulation des électrons. Celle-ci fournit alors l'énergie nécessaire au fonctionnement des appareils.

Pour aller plus loin, n'hésitez pas à lire notre article qui répond à la question Pourquoi le stockage de l'énergie est-il nécessaire ?

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