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La batterie électrique
Une invention en perpétuelle évolution qui est en passe de devenir un des acteurs majeurs pour sauver notre planète.

Jean-Marc DUBIE, usagé précurseur du véhicule électrique

Afin de permettre à tous de comprendre cet exposé complet complétant la version diffusée en septembre 2019 dans la revue annuelle de la SAAMA.

Commençons par quelques bases …

Les unités utilisées :

1 – L’Ampèreheure (Ah) quantité d’électricité : Et oui, l’Ampère est utile, toutefois comme une batterie a une capacité de stockage en quantité d’électricité qui est liée au temps, nous utiliserons sa forme Ampèreheure (Ah). Un Ampèreheure correspond à un courant de 1 ampère durant une heure, ce qui est équivalent à 2 ampères durant une demi-heure ou 0,5 ampère durant 2 heures. L’Ampèreheure est l’unité qui caractérise le mieux une batterie qui est un objet qui accumule des Ampèreheures.

Ainsi il y a des batteries au plomb de 40 Ah utilisées par exemple dans une voiture urbaine à essence ou une batterie de 80 Ah utilisée pour un véhicule diesel. On comprend donc qu’une batterie de 80 Ah à une capacité de stockage double d’une batterie de 40 Ah. Les scientifiques utilisent le coulomb (Système SI), qui correspond  à un Ampère durant une seconde. C’est donc une unité 3600 fois plus petite que l’Ah est donc difficilement utilisable par rapport aux capacités des accumulateurs modernes. Exemple : 40 Ah = 144000 coulombs

 2 – Le volt (V) tension : est utilisé pour exprimer la tension nominale d’une batterie composée par la mise en série de cellules caractérisées par une force électromotrice (fem) exprimée en volt qui dépend de la nature des couples d’oxydoréduction des matériaux présents et de l’avancement de la réaction. Il s’agit de la différence des potentiels de travail des deux électrodes de l’accumulateur. Une batterie de démarrage automobile à une tension nominale de 12 volts, dans les années 1950 c’était 6 volts. On comprend donc qu’une batterie ayant la même capacité en Ah de 40 Ah aura 2 fois plus d’énergie accumulable si elle est en 12 volts plutôt qu’en 6 volts.

3 – Le kilowattheure (kWh) énergie : Le produit Volt x Ampèreheure donne la capacité théorique d’une batterie en kilowattheure, 1 kWh = 1000 wattheures (Wh). Illustrons : une batterie plomb de 40 Ah en 6 volts contient théoriquement 240 Wh ou 0,24 kWh, une batterie plomb de 40 Ah en 12 volts contient théoriquement 480 Wh ou 0,48 kWh.

4 – L’ohm ( Ω) résistance : Une batterie va résister pour recevoir de l’énergie et résister pour          délivrer son énergie accumulée. Ce paramètre est la résistance interne d’une batterie, sa valeur étant très inférieure à l’Ohm on utilise le milliohm (soit un ohm divisé par 1000).  Exemple : Une batterie lithium Fer phosphate 4 de 12 volts 70 Ah a une résistance interne typique de 20 mΩ . . Plus sa résistance interne est faible meilleur sera son rendement car elle chauffe moins durant son usage (perte par effet Joule). A savoir : plus une batterie vieillie plus sa résistance interne augmente ; plus une batterie est chaude plus sa résistance interne diminue. Ceci explique pourquoi on tombe plus en panne de batterie lors d’un démarrage en hiver.

5 – Le watt (W) puissance : Grâce à la formule P=U²/R on comprend que la capacité d’une batterie à délivrer de la puissance est proportionnelle au carré du voltage nominal U et inversement proportionnelle à sa résistance interne R. Une batterie contrairement à une pile est capable de délivrer de forte puissance durant un court instant, par exemple démarrer un moteur thermique. Ainsi si on court-circuite une batterie Lithium Fer Phosphate 4 de 70 Ah en 12 volts, P = 12 x12 / 0,020 = 7200 watts alors que cette batterie ne pèse que 9,8 kg.

6 – Le nombre de cycles C : nombre de fois que l’on peut charger et décharger complètement une batterie sans perte de capacité, évidemment ce nombre doit être le plus grand possible 

7 – le Kilogramme (kg), la masse d’une batterie est une composante problématique, sauf dans un sous-marin !

Un peu d’histoire

C’est Gaston Planté, physicien Français, qui a inventé en 1859 le premier accumulateur électrique utilisable: une cellule plomb acide sulfurique. C’est cette invention qui en 1899 a permis au premier véhicule terrestre de franchir la barre des 100 km/h avec la fameuse Jamais Contente. L’élément de base (on dit cellule) a une tension nominale de 2 volts, placés en série ces éléments (nommés cellule) constituent une batterie (langage courant) : 3 éléments pour 6 volts et 6 éléments pour 12 volts, etc. En multipliant les cellules en série on augmente la tension pour une même capacité en Ah. Les résistances internes de chaque cellule s’ajoutent. La densité énergétique est de 30 à 40 Wh/kg Les variantes de cette batterie ne changent que très peu cette densité énergétique mais caractérisent la batterie pour un usage donné :

Batterie de démarrage automobile au plomb. Pourvue de plaques micro perforées sur grille pour avoir une faible résistance interne et débiter un maximum d’ampères durant quelques secondes une dizaine de fois par jour durant 3 ans tout en ayant un faible coût. Toutefois la vider à 90 % puis la recharger la détruira en une trentaine de cycles. Cette batterie dite de démarrage est incapable de cycler longtemps sur sa capacité en Ah.

Batterie plomb solaire : Pour cycler en profondeur sur environ 300 cycles ces batteries Plomb ont un design de plaque dit tubulaire destiné à permettre de cycler avec des courbes de charge et de décharge de l’ordre de C/4 à C/8, c’est à dire sa décharge complète étalée sur 4 heures et sa recharge étalée sur 8 heures.

Batterie Plomb gel destinée aux installations de sécurité (onduleur, alarme). C’est un marché de masse. Elle est étanche grâce à une soupape de recombinaison des gaz, sa décharge complète est possible en 10 minutes et la recharge doit être étalée sur 10 heures. Pour un usage de sécurité elles doivent pouvoir être maintenues chargées à 100% en floating (très faible intensité de courant) tout en gardant sa capacité de fonctionnement sur 4 ans avec un faible nombre de cycles profonds.

Batterie dédiée au sous-marin, recharge rapide et décharge sur quelques heures, faites pour cycler. A noter que la masse dans ce type de batterie n’a pas d’importance car elle sert aussi de lest ! Les plaques sont en plomb massif.

Évolution des batteries depuis la batterie de celle de Monsieur Planté

C’est une évolution très lente sans révolution significative jusqu’aux années 2000 puis le développement devient exponentiel question capacité de stockage en 2 décennies 

Tableau comparatif des technologies batteries commercialisées

Type

Chimie

Année invention

Usage VE

Fem en volt

Energie Wh/kg

Nb de cycle

Courant de décharge

Courant de charge

BMS

​Plomb acide

PbSO4

1889

Jamais Contente , VE WWII, golfette, Volta

2

40

300

10C

0,2C

N

Nickel-Cadmium

NiCd

1899

Kangoo 2000 Renault, 106 elec,AXelec, Partner Elec

1,2

60

1000 à 2000

C

C/2 puis C/20

N

Zebra

NaNiCl

1980

Berlingo Venturi

2,08

117

800

C/2

C/10

N

Nickel-Hydrure métallique

Nimh

1990

EV1 (GM) RAV4 (Toyota)

1,2

90

300 à 700

C

C/20

F

Lithium-Ion ​LCO

Lithium Cobalt Oxyde

1991

non

3,6

160

300

0,7C

0,5C

O

Lithium-ion ​​LMO

LiMn2O4

1996

Zoé 1

3,7

140

300 à 700

1C-10C

0,7C

O

Lithium-ion ​ ​LFP

LiFePO4

1998

Mia? Auto-Magique

3,2

120

2000

3C-30C

1C

O

Lithium-ion ​NCA

LiNiCoAlO2

1999

Cleanova

3,6

240

500

1C

​0,7C

O

Lithium-métal LMP

Li POE  polyoxyéthylène

1999

Blue car Boloré

3,6 

110

2000

1,5C

C/8

O

Lithium-ion Li-Po

LiCoO2 Lithium ion polymère

2005

Dyane du Cern

3,7

180

200 à 300

30C-50C

1C

O

​Lithium-ion ​ NMC

LiNiMnCoO2

2006

Zoé 2, Tesla 3

​3,6

200

1000 à 2000

1C-2C

​0,7C

O

Lithium-ion ​ ​LTO

Li4Ti5O12

2008

Triplette Czéro, Ion

2,4

80

​3000 à 7000

10C

1C

O

Ce tableau récapitule toutes les technologies de batterie et permet de prendre conscience de l’avantage du lithium Ion. On dit batterie "Lithium Ion" pour toute batterie ayant une anode lithiée (lithium non métallique)

Première alternative crédible la batterie Nickel Cadmium NiCd (Invention de 1899)

Cette batterie en version industrielle (SAFT Bordeaux) a vu son essor dans les moyens de transport :

·        Aviation (C’est la seule batterie homologuée aviation à ce jour car il y a aucun risque d’explosion ni de panne brutale complète, sa baisse de tension étant très progressive en fin de décharge permettant de prendre ses dispositions de sécurité)

·        Chemin de fer (maintenir l’éclairage des wagons lorsque le train ne roule pas). Elle peut rester décharger sans l’abimer.

·         Chariot élévateur années 50-90 et locomotives de mines

·         Voiture électrique Française de 1995 à 2004

·         Tension nominale d’une cellule 1,2 volts, il faut donc 5 éléments pour constituer une batterie 6 volts

Avantages :

·         Se conserve indéfiniment état déchargé

·         Énergie spécifique 60 Wh/kg (meilleur que le plomb) – L’autonomie d’un véhicule électrique passe à 90 km

·         Elle est quasiment inusable si le plein d’eau déminéralisée est fait correctement dans sa version aviation ou chemin de fer (il faut juste changer l’électrolyte)

·         Aucun risque d’explosion, fin de décharge par baisse progressive de tension progressive alertant l’utilisateur avant la panne

·         L’équilibrage des cellules s’obtient juste par surcharge à basse intensité

·         Fonctionne même par grand froid

Inconvénients :

·         Consomme de l’eau par électrolyse en fin de charge et beaucoup lors des équilibrages. La procédure de plein d’eau est délicate.

·         Rendement 60% (ce qui est mauvais) Elle chauffe à la fin de charge et la fin de décharge

·         Effet mémoire, elle perd un peu de capacité si on la charge avant de l’avoir chargé complètement. C’est réversible par quelques cycles complets.

·         Cout important à cause de la masse du nickel et de cadmium (recyclable)

·         Le cadmium est un matériau toxique s’il est sorti de son conditionnement

Cette batterie est toujours d’actualité en Aviation civile et pour encore des décennies question de sécurité.

Durant période 2004-2005, par suite d’une déstabilisation du lobby pétrolier qui a tenté de faire généraliser l’interdiction des batteries NiCd par l’UE au modèle industriel utilisé entre autres sur voiture électrique à fait stopper en plein essor le développement du véhicule électrique chez Peugeot (106 électrique et Partner) et Renault (Kangoo NiCd Electri Cité et Elec’Road) car à l’époque pas si lointaine la batterie lithium automobile était un rêve lointain inaccessible question coût.

La batterie NiCd a existé en variante boitier cylindrique au format pile des années 1980 à 2000 pour les appareils portatifs :

·         Son usage et commercialisation est interdit par l’UE depuis 2016, car les éléments pouvaient être jetés dans la nature et donc polluer gravement les sols à cause du cadmium.

·         Cet élément mal utilisé avec trop de surcharge perdait leur humidité et devenait inutilisable rapidement.

·         L’effet mémoire était plus notoire sur cette version étanche

La batterie Nimh (Nickel Métal Hydrure) Invention de 1975

Avantages :

·         Énergie spécifique : 80 Wh/kg ; Autonomie typique VE 150 Km à 200 km

·         Pas de plain d’eau à faire

·         Nombre de cycles typiques : 600

·         Équilibrage possible sans BMS par surcharge très lente (C/20) en fin de charge (dépasser C/20 et la batterie prend feu en fin de charge…)

Inconvénients :

·         Résistance interne à la charge plus élevée : Chauffe à la charge

·         Charge rapide impossible

·         Mauvais rendement 60%

Début de commercialisation 1988

·         Usage remplacer la batterie grand public bâton NiCd

·         Usage véhicule électrique (EV1 de GM) Autonomie 150 à 200 km (un concurrent sérieux au pétrole) et sur le RVA4 de Toyota

16 octobre 2000 rachat de la licence Nimh par Chevron (Groupe pétrolier Américain)

cf : Who Killed the Electric car ? DVD Directed par Chros Paie. West Los Angeles. CA SONY 2006

Conséquences :

·         Retrait des licences d’usage Minh accordées aux voitures électriques !!!!

·         Destruction par GM des véhicules électriques EV-1 ne pouvant plus être fabriqués ni maintenus. C’est le début d’un scandale planétaire sur les réseaux sociaux : Qui a tué la voiture électrique ?

·         Tolérance d’usage accordée à Toyota pour son RAV-4 électrique existant.

·        La licence d’usage de la batterie est accordée pour le grand public (Caméscope, outillage électro portatif) hors véhicule électrique.

·         Licence accordée uniquement aux véhicules hybrides non rechargeables consommant de l’essence : PRIUS, LEXUS, etc..  (source livre Two cents per mile, Will President Obama Make it happen, With the stroke of a pen ? de Nevres Cefo. Nevlin, LLC Frederick, Marryland)

Cette histoire va finalement se retourner contre les pétroliers, en effet la Prius véhicule hybride hyper fiable a fait office d’école … Son conducteur comprend tout l’intérêt de rouler en mode électrique et rêve que le moteur à essence ne se mette jamais en marche (silence, économie) d’où un départ par les amateurs transformant leur Prius en 2005 en version rechargeable en attendant mieux : l’avènement d’un véhicule 100% électrique moderne..

La batterie Zebra (Sodium-Chlorure de Nickel) :

Il s’agit d’une batterie chaude (270 à 350°C à son cœur) inventée dans les années 80.

Avantages :

·         Énergie spécifique : 100 Wh/kg ; Autonomie typique VE 300 km

·         Rendement élevé si usage en continu

·         Nombre de cycles typiques : 800 à 1200

·         Ne craint pas le froid extérieur car elle est tenue chaude.

·         Fiabilité

Inconvénients :

·         Énergie consommée pour maintenir chaude la batterie lors que l’on ne l’utilise pas

·         Démarrage à froid 2 à 3 jours de préchauffe

·         Le nombre de redémarrage à froid est très limité dans la vie de la batterie (c’est ce qui use cette batterie)

Pour l’anecdote, c’est grâce à cette batterie que le premier Pékin-Paris en VE sans assistance a pu être réalisé en 2010 sur un Berlingo Citroën électrique modifié avec cette batterie de capacité 70 kWh par Venturi Monaco. Elle a même pu traverser le désert de Gobie d’une traite sans recharger !

La révolution des batteries au lithium

Technologie inventée dans les années 80, les premières batteries finissaient par exploser, d’où le temps qu’il a fallu pour trouver des solutions pour stopper la formation de dendrites métalliques au fil des cycles.

C’est l’avènement du Smartphone et des tablettes qui compte-tenu de leur grosse consommation et leur besoin d’autonomie pour être commercialement viable a boosté le financement de la fiabilisation de l’accumulateur lithium-Ion (Sony, Panasonic en sont les grands acteurs industriels)

L’inconvénient de la batterie lithium découle de ses deux avantages : très faible résistance interne et son étanchéité.  On ne peut pas dissiper par surcharge l’énergie de la cellule la plus chargée pour équilibrer les autres éléments sans destruction et/ou explosion. Le BMS couplé à un dispositif dissipateur de surcharge est donc obligatoire pour une batterie lithium. C’est couteux et complexe

L'Effet Peukert

Une batterie fournie l'énergie qu'elle a stockée avec une certaine efficacité. Cette efficacité est altérée lorsque le courant débité augmente. C'est ce qu'on appelle l'effet « Peukert », qui montre que la capacité Q d'une batterie dépend du courant débité.

Un accumulateur est un dispositif à absorber des Ampères et à restituer des Ampères moins les pertes de rendement de la chimie de la batterie (ici Ri).

Mais ce n’est pas tout, l’énergie étant le produit des Ah avec les volts aux bornes de l’accumulateur, le voltage est donc le 2eme paramètre très important d’un accumulateur. C’est là qu’intervient la résistance interne de l’accumulateur.

La loi d’Ohm nous donne U (volt perte) =Ri (Ohm) x I (Ampère)

Nous voyons donc que l’énergie efficace récupérée en kWh = Ah * R x V – U (perte) = Ah x (V – Ri x I) lors de la décharge dépend de l’intensité de soutirage

Mais ce n’est pas tout l’effet Peukert se manifeste aussi lors de la charge, la résistance interne de l’accumulateur à la charge ici (Ric). Plus on fait une charge rapide plus on perd de l’énergie par élévation de la tension à appliquer aux bornes de la batterie

kWh charge = Ah x V + (U perte) =Ah x (V +Ric x I)

Nous pouvons donc affirmer que la vitesse d’un véhicule électrique impacte son autonomie d’un nouveau facteur l’effet Peukert.  Cet effet vient se rajouter à la formule de la puissance à appliquer à un véhicule selon sa vitesse qui est aussi loin d’être négligeable car la relation vitesse

P = F (frottement constant) x V3 Vitesse au cube sur le plat.

On comprend mieux pourquoi l’autonomie d’un véhicule électrique est fortement impactée par sa vitesse car deux facteurs jouent en défaveur de la vitesse.

L’avantage des batteries Lithium est considérable par rapport aux autres technologies de batterie car la résistance interne d’une batterie lithium est très faible à comparer aux technologies des accumulateurs du passé NiCd, Nimh

Sur ce plan certaines batteries lithium chauffent moins que d’autres :

·       La batterie LIFePO4 (invention Française CNRS Louis Armand donnée aux Canadiens ! c’est la seule batterie lithium qui n’explose pas en cas de surtension mais se détruit, toutefois peu utilisée en automobile car sa densité massique est légèrement inférieure au type NMC. Cette batterie faire fureur en chine pour les Scooter électrique.

·         La batterie Li-Po n’est utilisée qu’en modélisme elle permet avec peu d’Ah de très fortes intensités pour faire voler les drones sur quelques minutes. Toutefois cette batterie ayant un très fort pouvoir explosif elle n’est pas utilisable en automobile avec une risque d’explosion démesurée compte-tenu de la taille d’une batterie automobile par rapport à du modélisme.

Donc à chaque usage sa batterie. Article écrit par Jean-Marc Dubié le 15/9/2019 pour la SAAMA

Prospectives

Dans les laboratoires la tendance est à l’électrolyte solide, l’Europe met des moyens de recherche considérables pour mettre au point la batterie automobile du futur ne dépendant plus de l’Asie. On attend des nouveaux bouleversements en la matière sur le marché automobile à partir de 2021/2022 avec Volkswagen.

Ces nouvelles batteries dit « solid state » vont devenir inusable avec une capacité massique qui va doubler et ouvrir la voie vers des VE standard ayant 600 km d’autonomie y compris sur autoroute.

Et après ?

Une idée lumineuse fonctionne en laboratoire avec l’idée de ne transporter dans le véhicule que les 2/3 de la batterie c’est à dire son anode négative constituée de lithium métallique (métal très léger) , l’électrolyte et une cathode en nano carbone poreux en charge de ramasser dans l’air ambiant le 4eme élément qui n’est donc pas transporter l’oxygène et qui a de plus à une masse atomique loin d’être négligeable. Lors de la charge la batterie émet dans l’air ambiant de l’oxygène (Forme dioxygène gazeux) que la batterie récupèrera dans l’air ambiant selon la formule de réaction globale Li2O2 = 2LI + O2  et les 2 demi équations O2 +2Li+ +2e- → Li2O2 et  Li → Li+ +e-

De telles batteries fonctionnent déjà en laboratoire au Japon, tension d’une cellule 2,91 V

La densité énergétique pratique est déjà supérieure à 1700 Wh/kg ouvrant la voie à des véhicules électriques à partir de 2022 ayant 1000 km d’autonomie et à l’aviation régionale 100% électrique.

L’usage des batteries lithium va révolutionner le monde de la distribution de l’électricité :

Les GIGA batteries (GWh et GW) ont commencé à être installées en Australie par Tesla pour réguler l’intermittence fatale des ENRi (éolien et photovoltaïque) sur les réseaux électriques. La Belgique et d’autres pays ont des projets similaires, EDF projette d’installer 5 GW sur 5 GWh de batteries.

L’autoconsommation photovoltaïque individuelle avec batteries est déjà en place chez quelques pionniers dont je fais partie.

L’autoconsommation photovoltaïque individuelle avec batteries est en passe d’être rendu obligatoire en Californie pour permettre aux opérateurs de couper sans hésitation et délai l’alimentation électrique d’une région afin d’éviter les incendies de forêt.

Les incendies de forets sont souvent causés par les étincelles provenant de court-circuit sur les fils aériens et les poteaux durant les orages et les tempêtes. Des procès faramineux sont en cours à l’encontre de distributeur d’énergie électrique en Californie qui ont été déclarés responsables de récents incidents meurtriers cf : Ouest France édition du 15 mai 2019 qui relate le problème de Pacific Gas and Electric Company (PG&E), basée à San Francisco, qui a déjà reconnu que ses installations étaient probablement à l'origine de la catastrophe du 8 novembre 2018, baptisée «Camp Fire». PG&E redoute plusieurs dizaines de milliards de dollars d’indemnités !

Et, oui la batterie va sauver notre monde !

Cet article est extrait de la revue 2019 de la Société des amis d’André Marie Ampère (SAAMA) en devenant adhérant pour recevrez chaque année cette revue passionnante et vous aiderez aussi l’association en charge de préserver et d’animer la Maison Musée Ampère de Poleymieux-au-Mont-d’Or.

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