Batteries de
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Stocker son énergie

Une seule solution : les batteries. Elles doivent être rechargées régulièrement., ce qui a été consommé doit être rétabli dans les batteries. De plus si l'on veut éviter de les endommager , on ne peut utiliser la capacité totale ,on ne doit pas dépasser en consommation plus de 50 % à 90 % de la capacité suivant leur type.
La durée de vie d'une batterie est liée par construction ,aux nombres de cycles décharge / recharge .Une décharge à 75% correspondant à un quart de cycle aussi moins on fait de décharges profondes sur une batterie plus sa durée de vie est allongée.

Il existe 2 familles de batteries utilisées par le grand public:
- celles au plomb
- celles au lithium

Les batteries au cadmium-nickel (Ni-Cd) sont d' une technologie dépassée et sont interdites dans l'Union européenne (directive 2006/66/CE) pour les usages domestiques ; elles ne sont autorisées que pour des applications industrielles.
Les batteries Ni-Mh , qui a été utilisée en remplacement des batteries Ni-Cd est aujourd'hui également dépassée..

 

 

Un peu de Théorie sur les batteries

L' histoire commence au 18eme siècle avec Volta ;( voir la page consacrée aux courants galvaniques).
Elle se poursuit au 19eme siècle avec Gaston Planté et la première batterie rechargeable , au plomb...
...et au 20eme siècle John Goodenough est à l' origine de la première batterie au lithium.
l' avenir est sans doute aux batteries avec un électrolyte solide à base de verre , avec une anode en métal alcalin pouvant être composée de lithium, de sodium ou de potassium........

Les batteries sont un élément crucial du système d'énergie. Certains pensent même que c'est l'élément le plus important, puisqu'il permet de stocker l'énergie produite.
Les batteries sont des composants électrochimiques. Chaque cellule est composée d'électrodes, positive et négative.
Les plaques qui composent ces électrodes sont faites de matériaux actifs dissemblables. Ces cellules sont encapsulées dans un bac contenant un électrolyte. Le bac est scellé ou est muni d'un bouchon de remplissage et un évent.

Principe : dans le schéma ci-dessous un récepteur est raccordé à la batterie , elle est en décharge, les flèches rouge indiquent le sens du courant (les électrons sont en sens inverse)

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Lorsqu’un récepteur électrique ,une lampe, un moteur électrique, sont connectés sur une batterie, le courant circule dans l’électrolyte de la batterie et dans le récepteur. Une décharge de la batterie se produit et la composition chimique des deux électrodes est modifiée.
Pendant la décharge, il y a oxydation à la plaque négative qui se traduit par une perte d'électrons et réduction à la plaque positive ou gain d'électrons. L'électrolyte en présence dans la batterie facilite le déplacement des charges électrochimiques sous forme d'ions. Le processus inverse se produit lors de la recharge.

 

 

Constitution des batteries au plomb :

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Lors de la décharge ,les électrodes sont modifiée par le sulfate de plomb , en la rechargeant en faisant passer un courant dans la batterie à partir d’un alternateur ou un chargeur le sulfate de plomb est convertit à nouveau en dioxyde de plomb et en plomb poreux.
L’électrolyte est de l’acide sulfurique dilué. C'est le conducteur pour que les ions circulent entre les plaques positives et négatives lors de la charge ou la décharge.

Lorsqu'elle n'est pas branchée à une charge ou à un chargeur, la tension à circuit ouvert d'une batterie représente son taux de charge. Complètement chargée, cette tension est de 2.10 VCC à 25 °

 

 

Type de batterie au plomb utilisé pour la servitude

Les batteries de Service ou servitude au plomb sont du type semi-traction :
Une batterie semi-traction est composée de moins de plaques par élément, mais elles sont plus épaisses.
Ces batteries fournissent relativement moins de courant de démarrage, mais peuvent être déchargées plus souvent et dans une plus large mesure (environ 300 cycles complets minimum).Ce type de batterie est très adapté à la fonction de service.

Il existe des batteries classiques à électrolyte liquide appelées ouvertes et des batteries étanches ( gel ou AGM ) sans entretien .

La température a des effets importants sur la durée de vie des batteries au plomb. Quand la température augmente de 10°C, la vitesse des réactions électrochimiques double : la durée de vie moyenne des batteries diminue d'un facteur 2 à chaque augmentation de 10°C car la corrosion est accélérée.
Quand la température baisse, la durée de vie des batteries augmente, mais leur capacité diminue.

 

 

 

Les électrodes

Le matériau de base des électrodes est le plomb qui intervient dans la réaction chimique de charge / décharge. La résistance mécanique du plomb n'est pas très élevée, aussi pour renforcer la résistance des électrodes on ajoute un autre métal au plomb.
Les alliages utilisés:
- plomb antimoine (pbsb) : cet alliage présente le coût de fabrication le plus bas.
- plomb calcium (pbca) : bien adapté pour l'utilisation en décharge profonde .
- plomb calcium étain (pbcasn) : le mieux adapté pour une utilisation de service.

 

Les électrodes sont généralement planes, d'où leur nom de plaques.
Plus les plaques ( électrodes ) sont épaisses, plus les batteries supportent la décharge profonde et lente et plus elles sont adaptées à une utilisation de servitude: les plaques épaisses se déforment moins, résistent mieux à la sulfatation et plus longtemps à la corrosion.
Les électrodes positives sont généralement plus épaisses que les électrodes négatives car la sulfatation et la corrosion y sont plus sévères.
l'épaisseur des plaques positives peut atteindre 7 à 8 mm sur certaines batteries,
Plus la quantité de surface en contact avec l'électrolyte est importante, plus la batterie pourra délivrer une grande intensité.
L'antimoine qui entrait pour 4 à 6% dans la réalisation des grilles et liaison interne des batteries est remplacé par des alliages de plomb/calcium ou plomb/antimoine /sélénium pour assurer une même résistance mécanique. L"antimoine créait des couples ioniques favorisant l'auto décharge et la décomposition de l'eau d'où une consommation plus importante d'eau.
La très faible consommation avec les électrodes en Plomb/Calcium permet de sceller les batteries et les rendre ainsi sans entretien.

 

 

 

 

Constitution des batteries au lithium :

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Le principe est le même mais les électrodes et l'électrolyte sont différents.
Le fonctionnement des batteries au lithium est basé sur l’échange entre les électrodes d’ions lithium accompagné d’un mouvement des électrons. Les électrodes sont généralement constitués de graphite revêtu d’une feuille de cuivre pour l'anode et du lithium combiné à divers autres métaux ( oxyde de cobalt ,phosphate de fer lithié ) pour la cathode ; l'électrolyte est un mélange de sels de lithium solides et d' un solvant organique.

 

 

Les électrodes
Comme le montre le dessin l'anode est constituée de plusieurs couches car le graphite peut recevoir de façon réversible les ions de lithium entre ses nombreuses couches;la cathode est réalisée en liant des particules de matériau actif à une feuille d'aluminium ou de cuivre.

 

 

L’ion lithium est un ion dur et très petit , sa charge est localisée , il est donc très intéressant pour réaliser des batteries fonctionnant par échange d’ions.
Contrairement aux batteries au plomb charger à des températures au dessous empêche les ions de lithium de se diffuser correctement dans la structure de carbone de l'anode de la cellule , il vaut mieux éviter de charger ces batteries en dessous de 0° ou de prévoir de les réchauffer; la décharge par contre est possible par très basse température (-20°).
Comme pour les batteries au plomb quand la température descend , la capacité descend également.

La tension d’un élément Li-Ion est de 3,2 à 3,7 V suivant le type

Pour des problèmes de sécurité il est obligatoire d'intégrer (dans la batterie ou/et dans le circuit) un système électronique de protection ( appelé BMS) qui empêche une charge trop profonde, une surchauffe ou une élévation de la température; sans cette protection il peut se produire une explosion ou un incendie de la batterie (pour le type Li-FePO4, le risque d' incendie est rès limité)
Qu’est-ce qu’un BMS (Battery Management System)?
c'est est un système électronique indispensable pour utiliser des batteries au lithium , Il a plusieurs fonctions :
- utilisation en toute sécurité en prévenant l’apparition d’évènements critiques : le fusible PTC et les détecteurs de pression et de température qui désactivent l'élément en cas d'anomalie
- gestion de la charge et de la décharge de la batterie.
- détection de tensions maximale et minimale
- fonctions intelligentes .....surveillance en bluetooth ,etc.....

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Documents :
- PRENDRE SOIN DE CELLULES LITHIUM par EVtv Motor Verks , également

 

 

Une période de charge et décharge est appelée cycle. Les performances d'une batterie s'évaluent aussi en nombre de cycles que celle-ci peut fournir à une profondeur de décharge déterminée;le nombre de cycles ""décharge-recharge" détermine la durée de vie. Une batterie au plomb qui n';est pas sollicitée , si elle est maintenue chargée ,en théorie elle ne s'use pas aussi il est préférable de la maintenir chargée et de compenser la consommation par un chargeur , un panneau solaire , une éolienne ,....Une batterie au Lithium s'use même quand on ne s'en sert pas

exemple:
une batterie de 300 cycles complets supportera 600 cycles de recharge si elle est déchargée chaque fois de 50 %
une batterie déchargée de 25% avant d'Être rechargée aura droit à 1200 cycles de recharge

Le DOD (Depth Of Discharge) est le ratio d’ampères heure déchargées sur la pleine capacité de la batterie. Par exemple, si une batterie de 100 Ah (pleine capacité) voit sa capacité diminuer de 25 Ah, alors son taux de décharge est 25% et son taux de charge (SOC) est 75%.

 

 

 

 

Un peu de technologie

 

 

Les types de batteries

 

Batteries ouvertes à électrolyte liquide
Ces batteries sont les plus anciennes mais il est impératif de maintenir un niveau d’électrolyte correct , de les placer dans un endroit ventilé.
La décharge de ces batteries ne doit pas dépasser 50 %.

Batteries sans entretien
Batteries à électrolyte liquide
Elles sont scellés et les électrodes sont en plomb/calcium.(voir le tableau des avantages et inconvénients des différentes électrodes ci dessous)
Comme pour les batteries ouvertes , la décharge de ces batteries ne doit pas dépasser 50 %.

à électrolyte gélifié , à technologie gel (infos Sté Europa) , ou : ICI
Elles sont complètement étanches ; l’électrolyte se présente sous forme de gel de la silice est rajoutée à l’électrolyte liquide pour former une pâte
Ces batteries peuvent accéder des décharges jusqu'à 80 % et même plus.
Il est impératif de respecter les courbes de charges préconisées; des tensions de recharge trop levées peuvent endommager ces batteries.
Tolèrent les températures chaudes en été.

Batteries AGM(Absorbed Glass Mat) Infos Sté Europa : technologie AGM ou ICI
Elles sont complètement étanches.
Leur particularité par rapport aux batteries liquides est que les électrodes sont maintenues dans des buvards en fibre de verre ce qui garantit un meilleur niveau de performance.
Comme les batteries Gel , elles acceptent des décharges jusqu'à 80%; Comparées aux batteries gel, les batteries AGM ont une résistance interne faible et ainsi l'avantage d'accepter des courants de charge/décharge plus importants ce qui présente un avantage pour les charges rapides ..
des tensions de charge un peu plus élevées, les batteries AGM tendent à réagir à la hausse de température interne en perdant un peu d'eau à travers de petits évents situés dans les cellules et en évacuant l'excès de chaleur à travers les terminaux.
Elles peuvent s'installer dans toutes les positions. Toutefois, il est recommandé de ne pas les installer à la position complètement renversée.

Batteries Lithium Fer (LFP/ Li-FePO4): la cathode est faite en phosphate de fer lithié 
Elles ont une densité d'énergie légèrement inférieure auxbatteries Li-ion classiques mais 3 fois supérieure à celle d'une batterie plomb....document Victron ou pdf
Elles supportent beaucoup plus de cycles de recharge d'où une grande longévité et des intensités élevées ce qui leur permet de fournir beaucoup de puissance et d'être rechargées rapidement.

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document powertechsystems.eu

Et surtout elles ont beaucoup moins de risques d'incendie (la cathode ne rejette pas d' oxygène) et sont moins polluantes (le fer est moins toxique que le cobalt)
Il existe des BMS analogiques (moins chers, photo ci dessous) et des BMS numériques.

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elles supportent bien les températures ambiantes extrêmes, de 0° à 60°C
elles sont légères et petites....

.......il ne sera question que ce ce modèle dans cet article
Le principal inconvénient est le prix !!!!...il devrait baisser rapidement

 

 

 

 

 

auto décharge

Une batterie se décharge lentement même si on ne s'en sert pas : c'est l'auto décharge.;
Le taux d'auto décharge dépend principalement du type d'alliage qui est utilisé pour les grilles : le taux de décharge est particulièrement élevé pour les alliages Pb-Sb où il atteint 5% par mois pour des batteries neuves à 25°C.
Le taux d’auto-décharge augmente rapidement avec la température et quand la batterie vieillit : il peut atteindre 1% par jour pour une batterie Pb-Sb en fin de vie.

l'auto-décharge des batteries au lithium est relativement faible par rapport aux batterie au plomb.

 

 

 

Recharge

 

 

Les chargeurs :

Pour charger une batterie au lithium, n'importe quel chargeur peut être utilisé à partir du moment où celui-ci a une tension de charge maximum de 14.4V-14,6V et que la batterie est équipée d'un système BMS.

Les chargeurs intelligents utilisés pour la recharge des batteries au plomb peuvent être utilisés

chargeur

Caractéristiques pour un chargeur :il doit être programmable pour au minimum les trois principales phases de charge :

- Bulk : charge à courant élevé (max)
- Absorbtion : le courant de charge diminue tout en conservant une tension constante
- Float.la charge est terminée , tension de maintien

et pour différents types de batteries :

- Plomb ouverte (tension constante 14.6V)
- Etanche / AGM (tension constante 14.4V)
- batterie lithium LiFePO4 (tension constante 14.6V)(chargeurs récents)
- GEL (tension constante 14.2V)


 

Maintenance :les batteries étanches sont sans entretien.
( ne concerne que les batteries au plomb ouvertes )

 

 

Stratification
La stratification ,est le mélange non uniforme de l’électrolyte, ce qui réduit le cycle de vie des batteries. L'acide a tendance à se concentrer en bas en laissant de l'eau qui a une densité plus faible au dessus,,il y a des risques d'oxydation au dessus et risque de corrosion en dessous.
Une charge " d'égalisation " est nécessaire après des décharges répétées afin d'éviter la stratification.
La tension "d’égalisation" pour les batteries acide-plomb, est d'environ 14.2 V pour les systèmes 12 V,
L’égalisation doit s'effectuer en moyenne une fois par an.

Sulfatation
La sulfatation est causée par le dépôt des cristaux de sulfate de plomb sur les plaques. Elle se produit lorsqu'une batterie est souvent déchargée très profondément .
Les batteries qui ne sont pas complètement chargées pendant une longue période d'inactivité ont un taux de charge qui diminue , il est donc important de les charger complètement et de les utiliser à un taux de décharge supérieur à 20% permettant d'éviter la sulfatation.
Les cristaux de sulfate de plomb sont partiellement retirés des plaques lorsqu'une charge d’égalisation est effectuée à 2.35 - 2.4V par cellule. L’égalisation est recommandée après une longue période répétée de décharge, lorsqu'une cellule d'une batterie a une variation de tension de 0.05 V de plus que les autres cellules,ou lorsque la densité spécifique de la batterie diminue de 10 g/l par rapport au seuil qui se situe autour de 1280 g/l pour une batterie complètement chargée.

Densité
Dans l'hémisphère nord la densité spécifique de l'électrolyte d'une batterie se situe entre 1250 et 1300 g/l. La densité de l'acide permet d'évaluer le taux de charge de chaque cellule d'une batterie. Dans les pays à climat chaud, la densité spécifique de l'électrolyte est située entre 1210 et 1230 g/l, pour diminuer le taux de gazéification à des températures élevées.
LA DENSITE DE L'ELECTROLYTE VARIE : elle augmente avec la charge , elle diminue avec la décharge:
Batterie chargée ...............: 1,26
Batterie déchargée à 50% : 1,15 .............climats tempérés
Batterie déchargée à 75% : 1,07

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