Batterie d'accumulateurs/Version imprimable

Batterie d'accumulateurs

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Batterie au plomb

Généralités

Une batterie au plomb est composée de plusieurs éléments d'accumulateurs montés en série. La tension d'une batterie au plomb est toujours multiple de 2 volts environ.

La batterie d'un véhicule (automobile, motocyclette) actuel (2005), comporte six éléments, elle a donc une tension électrique de l'ordre de 12 volts. Pour les poids lourds, les bus et les bateaux on trouve plutôt des batteries de 24 volts, pouvant, dans le cas des bateaux et des bus permettre la vie à bord, ainsi que la génération de 220 V par l'intermédiaire d'un onduleur.
En réalité, une batterie 12 volts chargée affichera une tension de 12,8 à 13,2 volts ; si la tension d'une batterie chargée est inférieure à 11,4 volts, la batterie sera en fin de vie. Même non branchée, une batterie au plomb se décharge lentement du fait de diverses réactions chimiques parallèles présentes, qui peuvent conduire à la « sulfatation » de la borne positive (poudre blanchâtre).

La capacité d'une batterie est donnée en Ah (ampère.heure). Deux éléments associés en série doubleront la tension disponible, pour une même capacité, mais deux éléments associés en parallèle doubleront la capacité de la batterie pour une tension disponible inchangée.

Sa capacité disponible varie suivant le courant de décharge et est exprimée comme suit par convention: 12 V 1 000 Ah C/20, qui signifie que la batterie déchargée à un courant de 1 vingtième de sa capacité pourra fournir 1 000 Ah. La même batterie déchargée à un courant plus important tel que C/2 aura une capacité utile plus faible de l'ordre de 80 % de celle à C/20. De la même manière, cette batterie soumise à un courant de décharge de C/50 (soit 20 A) pourra fournir + de 1 000 Ah. Le phénomène est connu sous le nom d'effet Peukert et est lié à la résistance interne de la batterie; plus on décharge fort et plus la chute de tension est importante, faisant atteindre le seuil de tension minimale critique plus rapidement (10,75 V pour une batterie au plomb) et obligeant à stopper la décharge sous peine de détérioration.

La capacité indiquée d'une batterie n'est en aucun cas sa capacité utilisable sans détérioration. Suivant le type de batteries, on pourra utiliser de 80 % (batteries stationnaires) à 10 % (batteries de démarrage) de cette capacité.

Technique de construction

Éclaté d'une batterie au plomb

1. Bac.
2. Couvercle.
3. Plaques.
4. Séparateurs.
5. Bornes, le plus gros diamètre est le + .
6. Barrettes de liaison des éléments.
7. Électrolyte (acide sulfurique).

Chaque élément est constitué d'un bac rempli d'acide sulfurique (H₂SO₄) dilué entre 30 et 38 % (concentration de l'ordre de 5M), dans lequel baignent des plaques constituées d'un composé de plomb alvéolé :

• Les alvéoles procurent une plus grande surface de contact avec l'électrolyte (augmentation de la capacité).
• Les plaques négatives sont en litharge.
• Les plaques positives sont en minium.
• Afin d'assurer la position des plaques, des entretoises ou des séparateurs faits d'un matériaux poreux, résistant à l'acide et neutre, garantissent l'espacement des plaques.

Fonctionnement

Pendant la charge et la décharge, la constitution chimique des électrodes varient.

Décharge

• Électrode positive + ou cathode : le dioxyde de plomb PbO₂ (dépôt brun) se transforme en sulfate de plomb PbSO₄ en libérant de l'oxygène O₂ et en consommant des électrons.

• Électrode négative - (anode) : le plomb fixe la partie sulfurée de l'acide pour donner du sulfate de plomb PbSO₄ et libérer des électrons.

Dans les deux cas, du sulfate de plomb est produit par les réactions chimiques.

Charge

Les réactions chimiques s'inversent et les plaques retournent progressivement à leur état d'origine. Comme il faut apporter les électrons consommés à la borne négative, il est impératif de brancher la borne moins - du chargeur sur la borne moins de la batterie. Une batterie au plomb se charge en lui appliquant un courant continu d'une valeur quelconque pourvu qu'elle n'entraîne pas aux bornes de la batterie l'apparition d'une tension supérieure à 2,35 à 2,40 V/élément (valeur à 25°C). L'application de cette règle conduit à constater dans la pratique deux phases de charge successives: 1/ La phase dite CC ("constant current" ou courant constant) au cours de laquelle la tension par élément est inférieure à 2,35V malgré l'application du courant maximum dont est capable le chargeur: le courant est déterminé par le chargeur, et la tension par la batterie. La tension aux bornes de chaque élément augmente au fur et à mesure que la batterie se recharge. 2/ La phase dite CV ("constant voltage" ou TC "tension constante"), dite aussi "phase d'absorption" commence dès lors que la tension par élément atteint la valeur de 2,35V/élément puisque l'application de la consigne ci-dessus conduit le chargeur (système asservi le transformant en un générateur de tension) à ajuster le courant de telle sorte que la tension reste égale à 2,35 V/élément alors que la batterie continue de se charger. Le courant au cours de cette phase est donc une fonction décroissante du temps. Il tend théoriquement vers 0 asymptotiquement.

Fin de charge: En pratique, le courant de charge en phase CV ne s'annule pas. Il se stabilise à une valeur faible mais non nulle qui n'accroît plus l'état de charge mais électrolyse l'eau de l'électrolyte. On préconise donc d'interrompre la charge, ou, si l'on veut appliquer une charge permanente (dite d'entretien ou de "floating", afin de compenser le phénomène de décharge lente décrit ci-dessous), de baisser la tension de consigne à une valeur de l'ordre de 2,3 V/élément.

Remarque La charge CC/CV s'est généralisée car elle seule permet de charger à fort courant (donc rapidement) sans endommager la batterie. Ce mode de charge est utilisé dans toutes nos automobiles: en phase CC, le courant de charge dépend essentiellement de la vitesse de rotation de l'alternateur (et donc du moteur). En phase CV, la tension de consigne est maintenue par l'asservissement que constitue le régulateur de tension. Celui-ci diminue en effet le courant d'excitation de l'alternateur, de façon à ce que le courant de sortie de l'alternateur n'ait jamais pour résultat une tension supérieure à 2,35 V/élément (avec une légère correction en fonction de la température). Lorsque (cas des chargeurs bon marché) l'on ne dispose pas d'un chargeur capable de limiter sa tension à la valeur de consigne correspondant à 2,35 V/élément, on recommande de limiter le courant de charge à par exemple 10% de la capacité de la batterie afin de minimiser les conséquences dommageables du dépassement de tension qui risque de se produire en fin de charge: pour une batterie de 1000Ah on utilisera un chargeur 80 à 100A.

Défauts

• Théoriquement oxygène et hydrogène se recombinent tandis que le sulfate de plomb qui se forme pendant la réaction disparaît.
• En pratique, du fait de la présence d'une différence de potentiel (tension) une partie de l'eau disparaît sous forme de dégagement d'oxygène et d'hydrogène, et du sulfate de plomb se dépose petit à petit (en particulier à la borne positive de la batterie), ce qui conduit à la détérioration lente de la batterie. Ce phénomène explique la décharge lente d'une batterie qui n'est pas branchée. Un couvercle et une ventilation haute et basse de la batterie (dans le cas d'une batterie stationnaire) doivent être prévu pour exporter l'hydrogène hors du lieu d'utilisation de la batterie. La ventilation peut être active ou passive.
• Les compartiments d'une batterie ne doivent pas contenir d'impuretés sous peine d'introduire des réactions chimiques parasites qui favoriseront la détérioration de sa capacité à stocker l'énergie électrique. C'est pourquoi il est nécessaire de compléter les niveaux avec de l'eau déminéralisée.
• Du fait de la présence de plomb en grande quantité, une batterie est un objet lourd (compter environ une tonne pour une batterie stationnaire de 1000Ah).
• Le prix des batteries augmente avec les besoins croissants de la Chine (principalement) en matières premières (plomb).
• Pendant la charge de batteries, de l’hydrogène et de l’oxygène s’échappent des éléments de batteries utilisant des électrolytes aqueux. Ce dégagement résulte de l’électrolyse de l’eau par le courant de charge. 1 Ah décompose l’eau (H₂O) en 0,42 litres de H₂ + 0,21 litres de O₂.
• La charge d'une batterie est endothermique. La décharge d'une batterie est exothermique.
• Le plomb est un métal lourd, toxique et polluant. Il est nécessaire de recycler les batteries usagées.

Autres types de batteries

Dans notre monde ou l'électricité et l'électronique sont omniprésentes, la miniaturisation des appareils n'a été rendue possible que par le développement d'accumulateurs électrique plus maniable que les batteries aux plomb.

Tout comme l'accumulateur à base de plomb, les autres accumulateurs d'électricité sont basé sur des réactions électrochimiques entre des électrodes constituées de différent matériaux, associées à un électrolyte chimique qui permet les échanges d'ions entre les électrodes.

Consignes d'utilisation

Valable pour tout type de batterie.

• Ne jamais tenter d'ouvrir ou de déformer une batterie, elle contient des produits chimiques corrosifs ainsi que des matériaux généralement hautement toxiques, parfois inflammables ou explosant spontanément en présence de l'air.
• Ne pas les soumettre à des températures excessives (feux, soleil, radiateurs), afin d'éviter les fuites et les explosions.
• Toujours utiliser un chargeur spécifique par type de batterie et se conformer aux instructions techniques données par le fabricant du chargeur.

Différents types autres que batteries au plomb

Les différents types d'accumulateurs (comme le systeme ly-poly sur un portable sony ericsson x8 et x10) couramment utilisés par les applications électroniques portatives, avec quelques une de leurs principales caractéristiques:

Glossaire

V	Volt
Wh/kg	Watt heure par kilogramme
C	Capacité nominale de l'accu en Ah
H	Heure
Ah	Ampère pendant une heure.

(Nickel-Cadmium) Ni-Cd

• Tension d'une cellule = 1,20 V.
• Capacité moyenne = 40-55 Wh/kg.
• Courant de décharge max = 10 à 20 C.
• Temps de charge = 1/4 à 14 h, dépendant du chargeur.
• Auto décharge = 20 % / mois.
• Nombre de cycles = 1500.
• Effet mémoire réversible.

Le cadmium est un métal lourd polluant. On leur préfère les accumulateurs Ni-MH fabriqués à partir de produits moins dangereux.

(Nickel-Métal-Hydride) Ni-MH

• Tension d'une cellule = 1,2 V.
• Capacité moyenne = 70-100 Wh/kg.
• Courant de décharge max = -10 à 22 C.
• Temps de charge = 1-48 h, dépendant du chargeur.
• Auto décharge = 30 % / mois.
• Nombre de cycles = 700.

(Nickel-Zinc) Ni-Zn

• Tension d'une cellule = 1,65 V.
• Capacité moyenne = 70-80 Wh/kg.
• Courant de décharge max = 10 à 20 C.
• Temps de charge = 1-5 h, dépendant du chargeur.
• Auto décharge = 20 % / mois.
• Nombre de cycles = > 1000.

(Lithium-ion) Li-ion

• Tension d'une cellule = 3,6 V.
• Capacité moyenne = 90-400 Wh/kg.
• Courant de décharge max = 1 à 2 C.
• Temps de charge = 2-4 h.
• Auto décharge = 10 % / mois.
• Nombre de cycles = 500-700.
• Durée de vie limitée à 3 ans après fabrication.

Astuce pour une batterie LI-ION de téléphone portable qui ne tient plus la charge.

• Entreposez la 2-3 heures dans un congélateur à -18°C,
• laissez reposer la batterie 1/2 heure à température ambiante,
• rechargez.

(Lithium-Ion sur Polymères) Li-Po (dites aussi Li-Poly)

Elles ont une durée de vie légèrement inférieure à celle des Li-Ion. Mais elles ont les avantages :

• Elles peuvent être déposées sur un support souple, plus facilement logeable dans un appareil mobile.
• Elles sont moins chère à fabriquer.

Caractéristiques :

• Tension d'une cellule = 3,75 V.
• Capacité moyenne = 100-200 Wh/kg.
• Courant de décharge max = 1 à 5 C.
• Temps de charge = 2 - 4 h.
• Auto décharge = 10 % / mois.
• Nombre de cycles = 300-500.
• Durée de vie limitée à 3 ans après fabrication.

Alcaline-régénérable (plomb)

• Tension d'une cellule = 1,5 V.
• Capacité moyenne = ~ 150 Wh/kg, décroit au rythme des recharges.
• Courant de décharge max = 0,3 C.
• Temps de charge = 4 h.
• Auto décharge = 1 % / mois.
• Nombre de cycles = 100 à 500, dépendant du type d'utilisation.
• Durée de vie limitée à 7 ans après fabrication.

Pour des informations complémentaires, voir le site www.energie-portable.info

Sécurité

Les dangers

L'électrolyte liquide

L'acide sulfurique même dilué à 25% cause des brûlures sévères à toute matière organique, végétale ou minérale qui entre en contact avec lui. Il pénètre dans tous les corps poreux (peau, vêtement, éponge).

• Procéder avec prudence, afin de prévenir un déversement ou une projection d'électrolyte.
• Pour toute manipulation porter des protections individuelles adaptées : gants, lunettes, vêtements de travail, tablier.
• Seuls les spécialistes connaissent les techniques et possèdent les outils nécessaires pour réaliser le mélange électrolytique et remplir les batteries.
• Ne jamais verser de l'eau dans de l'acide concentré, il se produit instantanément une réaction violente entrainant des projections d'acide concentré avec de la vapeur d'eau.

Le poids

Les batteries au plomb sont particulièrement lourdes : le plomb, leur constituant principal est un des métaux les plus lourds, il a une masse volumique de 11,35 kg par dm³ soit une densité de 11,35.
Une batterie de véhicule automobile pèse entre 15 kg et 50 kg.
Il est donc important de respecter quelques règles :

• Utilisez de préférence un porte-batterie,
• À défaut prenez une bonne prise de chaque côté de la batterie avant de chercher à la soulever.
• Avant de commencer sa dépose, prévoyez un espace plat et solide pour poser la batterie.

L'hydrogène

Pendant la charge d'une batterie, un dégagement d'hydrogène se produit : ce gaz est très inflammable. Même les batteries sans entretien, scellées, doivent être entourées de précautions. En effet, lors d'une charge prolongée, elles évacuent leur trop plein d'hydrogène par une soupape.

• Il est donc nécessaire de bien ventiler le local où s'effectue cette charge.
• Il est fortement déconseillé de fumer ou d'approcher une flamme d'une batterie en cours de charge.
• Il ne faut jamais débrancher les cables du chargeur au niveau de la batterie avant d'avoir éteint le chargeur : à la coupure du circuit chargeur allumé une étincelle se produit, étincelle capable de déclencher une explosion de l'hydrogène.

Entretien des batteries automobiles

Généralités

L'entretien des batteries est somme toute assez simple, la plupart des modèles ne demandent qu'à être chargés régulièrement, surtout avant d'être stockés. Seules les batteries au plomb nécessitent quelques attentions particulières.

Propreté

• Avant tout, gardez votre batterie propre :
  • Ne laissez pas la poussière, les débris végétaux, les insectes morts, s'accumuler, sous peine de risque de court-circuit suivi d'incendie.
  • Gardez les cosses de connexion propres et graissées ; en cas d'apparition de sulfate (dépôt blanchâtre), nettoyez avec une brosse métallique et à l'eau claire ; enduisez de graisse hydrofuge les bornes et les cosses, branchez les cosses et serrez-les bien pour assurer le contact électrique.

Il est erroné de penser que la graisse isolera les contacts, il est donc inutile de dégraisser les bornes et les cosses avant montage. Pour confirmation étudiez le montage des bornes Arelco, qui procurent l'avantage de pouvoir isoler électriquement la batterie en cas d'urgence, sans outillage et très rapidement. La pression de serrage de la cosse chasse la graisse et le contact est assuré, de plus toutes les petites fissures et trous sont remplis de graisse, donc l'air et l'eau ne peuvent pénétrer.

Fixation

• Vérifiez qu'aucun câble électrique ne frotte sur une arête de tôle ou un boulon saillant.
• Vérifiez la fixation de la batterie, malgré son poids, elle peut se renverser, un véhicule automobile étant un support particulièrement agité.

Électrolyte

• Sur les batteries munies de bouchons, vérifiez régulièrement le niveau d'électrolyte de tous les éléments, il doit se situer à un bon centimètre au dessus des plaques. Complétez si besoin est avec de l'eau déminéralisée en procédant avec précaution, afin de ne pas dépasser le niveau maximum (risque de débordement).
• Sur les batteries sans entretien, on ne peut pas contrôler le niveau d'électrolyte. La quantité d'électrolyte et la conception de la batterie permettent en général de se passer de vérification périodique.
  • En revanche, si la batterie est soumise à des décharges rapides et importantes ou à des surcharges, des dégazages de sécurité lui feront perdre sa capacité normale.
  • En dessertissant les bouchons cachés sous une plaque collée, on peut compléter le niveau d'électrolyte avec de l'eau distillée, mais le problème est de repositionner correctement et durablement les bouchons.
  • Cette dernière opération est donc déconseillée.

Stockage des batteries

Pour pouvoir fournir de l'électricité, une batterie d'accumulateurs électriques doit au préalable être chargée.

Charge

Chaque type de batterie a des caractéristiques qui lui sont propres, il est fortement conseillé de respecter les critères de décharge et de recharge, spécifiques à chaque modèle (temps, intensité, tension, température).

• Si ces données ne sont pas respectées : au mieux, la batterie aura une durée de vie raccourcie ; au pire, elle sera détruite par explosion ou incendie.
  • L'explosion ou l'incendie de batteries sont particulièrement dangereux, celles-ci contenant toutes des produits chimiques toxiques et corrosifs.
• Afin d'assurer la recharge dans les meilleures conditions de leurs produits, les fabricants de batteries rechargeables fournissent les caractéristiques de leurs produits, un minimum est généralement inscrit sur la batterie même. Si vous n'avez pas de connaissances dans ce domaine, demandez conseil à un professionnel.
• De plus ces derniers distribuent, des chargeurs adaptés à chacun de leurs produits.
• Chapitre détaillé : Évaluation de la capacité d'une batterie

En conséquence il est de loin préférable d'utiliser le chargeur le mieux adapté à la batterie.

Stockage

• Une batterie ne doit être stockée que chargée.
• Elle doit être stockée dans un endroit sec, à l'abri du soleil, par exemple dans des bacs de 5 cm de hauteur pour vente en magasin.
• Elle doit être maintenue chargée, par une charge d'entretien à intervalles réguliers. La périodicité et le type de charge dépendent du modèle de la batterie.

GFDL

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