Les batteries sont la source d'alimentation la plus courante pour les appareils portables de base jusqu'aux applications industrielles à grande échelle. Une batterie peut être définie comme étant une combinaison d'une ou plusieurs cellules électrochimiques capables de convertir l'énergie chimique stockée en énergie électrique.
Fonctionnement de la batterie:
Une batterie est un appareil composé de plusieurs cellules voltaïques. Chaque cellule voltaïque est constituée de deux demi-cellules connectées en série par un électrolyte conducteur contenant des anions et des ions cat. Une demi-cellule comprend un électrolyte et l'électrode vers laquelle les anions se déplacent, c'est-à-dire l'anode ou l'électrode négative, l'autre demi-cellule comprend l'électrolyte et l'électrode vers laquelle les ions cat se déplacent, c'est-à-dire la cathode ou l'électrode positive.
Dans la réaction redox qui alimente la batterie, la réduction se produit en cations à la cathode, tandis que l'oxydation se produit en anions à l'anode. Les électrodes ne se touchent pas mais sont reliées électriquement par l'électrolyte. La plupart des demi-cellules ont des électrolytes différents. Tout bien considéré, chaque demi-cellule est enfermée dans un récipient et un séparateur poreux aux ions mais pas la majeure partie des électrolytes empêche le mélange.
Fonctionnement de la batterie
Chaque demi-cellule a une force électromotrice (Emf), déterminée par sa capacité à conduire le courant électrique de l'intérieur vers l'extérieur de la cellule. La force électromotrice nette de la cellule est la différence entre la force électromotrice de ses demi-cellules. De cette manière, si les électrodes ont une force électromotrice et en d'autres termes, la force électromotrice nette est la différence entre les potentiels de réduction des demi-réactions.
Comment entretenir la batterie?
Pour maintenir la batterie en bon état, une égalisation de la batterie est nécessaire. En raison du vieillissement, toutes les cellules ne se chargent pas de la même manière et certaines cellules acceptent une charge extrêmement rapide tandis que d'autres se chargent progressivement. L'égalisation peut être effectuée en surchargeant légèrement la batterie pour permettre aux cellules les plus faibles de se charger complètement. La tension aux bornes d'une batterie complètement chargée est de 12 V, la batterie d'automobile affiche 13,8 V dans ses bornes tandis qu'une batterie tubulaire de 12 volts affiche 14,8 V. La batterie de l'automobile doit être fermement fixée dans le véhicule pour éviter les secousses. La batterie de l'onduleur doit être placée sur une planche de bois si possible.
2 types de batteries
1) Batteries primaires:
Comme leur nom l'indique, ces piles sont destinées à un usage unique. Une fois que ces batteries sont utilisées, elles ne peuvent pas être rechargées car les appareils ne sont pas facilement réversibles et les matériaux actifs peuvent ne pas retrouver leur forme d'origine. Les fabricants de batteries déconseillent la recharge des cellules primaires.
Certains des exemples de piles jetables sont les piles AA, AAA normales que nous utilisons dans les horloges murales, la télécommande de télévision, etc. L'autre nom de ces piles est les piles jetables.
Types de batterie
2) Batteries secondaires:
Les piles secondaires sont également appelées piles rechargeables. Ces batteries peuvent être utilisées et rechargées simultanément. Ils sont généralement assemblés avec des matériaux actifs actifs à l'état déchargé. Les batteries rechargeables sont rechargées en appliquant un courant électrique, qui inverse les réactions chimiques qui se produisent pendant la décharge. Les chargeurs sont des appareils qui fournissent le courant requis.
Des exemples de ces piles rechargeables sont les piles utilisées dans les téléphones mobiles, les lecteurs MP3, etc. Les appareils tels que les appareils auditifs et les montres-bracelets utilisent des cellules miniatures et dans des endroits tels que les centraux téléphoniques ou les centres de données informatiques, des piles plus grosses sont utilisées.
Batteries secondaires
Types de batteries secondaires (rechargeables):
SMF, acide de plomb, Li et Nicd
Batterie SMF:
SMF est un batterie étanche sans entretien, conçue pour offrir une alimentation fiable, cohérente et à faible entretien pour les applications UPS. Ces batteries peuvent être soumises à des applications à cycle profond et à une maintenance minimale dans les zones rurales et à déficit électrique. Ces batteries sont disponibles à partir de 12V.
Dans le monde informatif d’aujourd’hui, on ne peut ignorer la nécessité pour les systèmes de batterie de récupérer des données et des informations qualifiées cruciales et d’exécuter des instruments de base pendant les durées souhaitées. Les batteries sont nécessaires pour fournir une puissance instantanée. Des batteries peu fiables et de qualité inférieure peuvent entraîner la perte de données et des arrêts de matériel qui peuvent coûter aux entreprises des pertes financières considérables. Par la suite, les segments UPS nécessitent l'utilisation d'un système de batterie fiable et éprouvé.
Batterie SMF
Batterie au lithium (Li):
Nous l'utilisons tous dans des appareils portables tels qu'un téléphone portable, un ordinateur portable ou un outil électrique. La batterie au lithium a été l'une des plus grandes réalisations en matière d'alimentation portable au cours de la dernière décennie avec l'utilisation de batteries au lithium.Nous avons pu passer du mobile noir et blanc aux mobiles couleur avec des fonctionnalités supplémentaires telles que le GPS, les alertes par e-mail, etc. dispositifs de potentiel de densité d'énergie pour des capacités plus élevées. Et des batteries à décharge automatique relativement faibles. Des cellules spéciales peuvent également fournir un courant très élevé à des applications telles que les outils électriques.
Batterie Li
Batterie au nickel-cadmium (Nicd):
Les batteries Nickel Cadmium ont l'avantage d'être rechargées plusieurs fois et possèdent un potentiel relativement constant lors de la décharge et ont une plus grande capacité de résistance électrique et physique. Cette batterie utilise de l'oxyde de nickel pour la cathode, un composé de cadmium pour l'anode et une solution d'hydroxyde de potassium comme électrolyte.
Lorsque la batterie est chargée, la composition chimique de la cathode est transformée et l'hydroxyde de nickel se transforme en NIOOH. Dans l'anode, la formation d'ions cadmium se produit à partir de l'hydroxyde de cadmium. Lorsque la batterie est déchargée, le cadmium réagit avec NiOOH pour former de l'hydroxyde de nickel et de l'hydroxyde de cadmium.
Cd + 2H2O + 2NiOOH -> 2Ni (OH) 2 + Cd (OH) 2
Batterie au plomb:
Les batteries au plomb sont largement utilisées dans les automobiles, les onduleurs, les systèmes d'alimentation de secours, etc. Contrairement aux batteries tubulaires et sans entretien, les batteries au plomb nécessitent des soins et un entretien appropriés pour prolonger leur durée de vie. La batterie au plomb est constituée d'une série de plaques immergées dans une solution d'acide sulfurique. Les plaques ont des grilles sur lesquelles la matière active est fixée. Les plaques sont divisées en plaques positives et négatives. Les plaques positives retiennent le plomb pur comme matière active tandis que l'oxyde de plomb est fixé sur les plaques négatives.
Batterie au plomb
Une batterie complètement chargée peut décharger son courant lorsqu'elle est connectée à une charge. Au cours du processus de décharge, l'acide sulfurique se combine avec les matières actives sur les plaques positives et négatives, ce qui entraîne la formation de sulfate de plomb. L'eau est l'étape la plus importante dans l'entretien d'une batterie au plomb-acide. La fréquence de l'eau dépend de l'utilisation, de la méthode de charge et de la température de fonctionnement. Au cours du processus, les atomes d'hydrogène de l'acide sulfurique réagissent avec l'oxygène pour former de l'eau.
Il en résulte la libération d'électrons des plaques positives qui seront acceptées par les plaques négatives. Cela conduit à la formation d'un potentiel électrique à travers la batterie. L'électrolyte dans la batterie au plomb est un mélange d'acide sulfurique et d'eau qui a une gravité spécifique. La gravité spécifique est le poids du mélange acide-eau par rapport à un volume égal d'eau. La densité de l'eau pure sans ions est de 1.
Les batteries au plomb-acide offrent le meilleur rapport qualité-prix et l'énergie par kilowattheure ont le cycle de vie le plus long et un grand avantage environnemental en ce sens qu'elles sont recyclées à un rythme extrêmement élevé. Aucune autre chimie ne peut toucher l'infrastructure existante de collecte, de transport et de recyclage des batteries au plomb-acide.
Avec cet article, la batterie au lithium-ion est discutée avec ses avantages et ses inconvénients.
Fonctionnement de la batterie au lithium-ion
Les batteries au lithium-ion sont désormais populaires dans la majorité des appareils électroniques portables comme les téléphones portables, les ordinateurs portables, les appareils photo numériques, etc. en raison de leur efficacité énergétique durable. Ce sont les batteries rechargeables les plus populaires avec des avantages comme une meilleure densité d'énergie, une perte de charge négligeable et aucun effet de mémoire. La batterie Li-Ion utilise des ions lithium comme porteurs de charge qui se déplacent de l'électrode négative à l'électrode positive pendant la décharge et de retour lors de la charge. Pendant la charge, le courant externe du chargeur applique une surtension que celle de la batterie. Cela force le courant à passer dans le sens inverse de l'électrode positive à l'électrode négative où les ions lithium sont incorporés dans le matériau d'électrode poreux grâce à un processus appelé intercalation. Les Li- Ions traversent l'électrolyte non aqueux et un diaphragme séparateur. Le matériau de l'électrode est un composé de lithium intercalé.
L'électrode négative de la batterie Li-Ion est composée de carbone et l'électrode positive est un oxyde métallique. Le matériau le plus couramment utilisé dans l'électrode négative est le graphite, tandis que celui de l'électrode positive peut être l'oxyde de lithium-cobalt, le phosphate d'ion de lithium ou l'oxyde de lithium et de manganèse. Le sel de lithium dans un solvant organique est utilisé comme électrolyte. L'électrolyte est généralement un mélange de carbonates organiques comme le carbonate d'éthylène ou le carbonate de diéthyle contenant des ions lithium. L'électrolyte utilise des sels anioniques comme le lithium hexa fluoro phosphate, le lithium hexa fluoro arsénate monohydraté, le lithium par chlorate, le lithium hexa fluoro borate, etc. Selon le sel utilisé, la tension, la capacité et la durée de vie de la batterie varient. Le lithium pur réagit vigoureusement avec l'eau pour former de l'hydroxyde de lithium et des ions hydrogène. L'électrolyte utilisé est donc un solvant organique non aqueux. Le rôle électrochimique de la charge des électrodes entre l'anode et la cathode dépend du sens de circulation du courant.
Réaction de la batterie Li-ion
Dans la batterie Li-Ion, les deux électrodes peuvent accepter et libérer des ions lithium. Pendant le processus d'intercalation, les ions lithium se déplacent dans l'électrode. Au cours du processus inverse appelé désintercalation, les ions lithium reculent. Pendant la décharge, les ions lithium positifs seront extraits des électrodes négatives et insérés dans l'électrode positive. Pendant le processus de charge, le mouvement inverse des ions lithium a lieu.
Avantages de la batterie au lithium-ion:
Les batteries au lithium-ion surpassent les batteries NiCd et les autres batteries secondaires. Certains des avantages sont
- Poids léger par rapport à d'autres batteries de taille similaire
- Disponible en différentes formes, y compris la forme plate
- Tension de circuit ouvert élevée qui augmente le transfert de puissance à faible courant
- Manque d'effet mémoire.
- Très faible taux d'autodécharge de 5 à 10% par mois. L'autodécharge est d'environ 30% dans les batteries NiCd et NiMh.
- Batterie écologique sans aucun lithium métal libre
Mais en plus des avantages, comme les autres batteries, la batterie Li-Ion souffre également de certains inconvénients.
Inconvénients de la batterie Li-Ion:
- Les dépôts à l'intérieur de l'électrolyte au fil du temps empêcheront le flux de charge. Cela augmente la résistance interne de la batterie et la capacité de la cellule à fournir du courant diminue progressivement.
- Une charge élevée et une température élevée peuvent entraîner une perte de capacité
- En cas de surchauffe, la batterie Li-Ion peut subir une fuite thermique et une rupture de la cellule.
- Une décharge profonde peut court-circuiter la batterie Li-Ion. Donc, pour éviter cela, certaines marques ont des circuits d'arrêt internes qui arrêtent la batterie lorsque sa tension est supérieure au niveau de sécurité de 3 à 4,2 volts. Dans ce cas, lorsque la batterie n'est pas utilisée pendant une longue période, le circuit interne consommera de l'énergie et videra la batterie en dessous de sa tension d'arrêt. Donc, pour charger de telles batteries, les chargeurs normaux ne sont pas utiles.
