Batteries comme dispositifs de stockage d’énergie

Batteries Partie 1 – En tant que dispositifs de stockage d’énergie

Les batteries sont des dispositifs de stockage d’énergie qui fournissent un courant électrique. Les circuits électriques et électroniques ne fonctionnent que grâce à un courant électrique qui circule à travers eux. Comme nous l’avons vu précédemment, un courant électrique est le flux de charges électriques (Q) à travers un circuit fermé sous la forme d’électrons libres chargés négativement.

Ainsi, un courant électrique n’est rien d’autre que le mouvement de charge électrique. Mais pour qu’un courant électrique circule dans un conducteur et à travers un circuit fermé, un travail doit être effectué pour le déplacer, ce qui entraîne une dépense d’énergie. C’est-à-dire que l’énergie électrique est l’énergie associée au flux d’électrons chargés qui ont la capacité d’effectuer un certain travail, soit par attraction, soit par répulsion d’autres charges.

La capacité d’une charge à effectuer un travail est appelée son potentiel, la somme des différences de potentiel de toutes les charges étant appelée Force Électromotrice, ou (fem). Puisque le mouvement ou le flux d’électrons est appelé un courant électrique.

Pour produire un flux de courant, les électrons doivent être déplacés, ou forcés de se déplacer, par une différence de potentiel. L’unité de base de la différence de potentiel est le Volt (V), indiquant la capacité à réaliser le travail de forcing des électrons à se déplacer. Nous avons trois méthodes fondamentales pour générer une tension et déplacer l’énergie électrique dans un circuit :

• Induction électromagnétique : en utilisant des générateurs, alternateurs ou dynamos
• Énergie chimique : en utilisant des batteries ou des piles à hydrogène
• Génération photovoltaïque : comme créé par des cellules solaires photovoltaïques

Les batteries sont des dispositifs de stockage d’énergie chimique

Les batteries sont des dispositifs électrochimiques qui fonctionnent en convertissant l’énergie chimique stockée en énergie électrique. Bien que le terme batterie soit largement utilisé, l’unité électrochimique de base d’une batterie est la cellule.

Une batterie se compose généralement de deux cellules individuelles ou davantage, reliées ensemble en séries ou en parallèle, ou les deux, pour fournir la tension et la capacité de sortie requises. Par exemple, 3 volts à 225mAh (milliampères-heures), 9 volts à 1600mAh, ou 12 volts à 40Ah (ampères-heures), etc.

Une seule cellule de batterie se compose de trois composants majeurs : 1. Une Borné Positive ou électrode, 2. Une Borné Négative ou électrode et 3. Une solution d’Électrolyte pour fournir le milieu de transfert de charge entre les électrodes anode et cathode. Ces deux électrodes (parfois appelées « pôles ») sont toujours fabriquées à partir de métaux différents, et la solution électrolytique est généralement un liquide ou un gel contenant des ions.

Un symbole de cellule de batterie

Notez que la ligne supérieure plus longue représente toujours la borne positive ou électrode d’une batterie ou cellule, puisqu’elle peut être divisée en deux moitiés transformées en un signe plus (+). La ligne inférieure plus petite représente toujours un signe négatif (-) car elle est plus courte. Ainsi, il n’est pas toujours nécessaire de mettre des signes plus (+) et moins (-) sur un schéma.

Lorsque les bornes des cellules, et donc de ses électrodes, sont connectées à un circuit externe, une réaction chimique se produit qui libère des électrons de l’électrode négative. Ces électrons circulent par le circuit externe et retournent à l’électrode positive. La solution électrolytique permet aux ions de circuler entre les électrodes, ce qui équilibre la charge et maintient le courant circulant.

Lorsque toutes les réactions chimiques créées à l’intérieur de la cellule ont été épuisées par l’utilisation, le courant électrique cesse de circuler. La cellule de batterie est alors considérée comme complètement déchargée. En d’autres termes, la cellule de batterie est “vide” d’électrons libres.

Les réactions chimiques qui se produisent à l’intérieur d’une cellule de batterie varient en fonction de la construction chimique et du type de cellule. Les batteries sont généralement classées en batteries Primaires ou Secondaires.

Les batteries primaires sont vos batteries classiques non rechargeables. En effet, elles sont jetées et recyclées lorsqu’elles sont vides (déchargées). Les batteries secondaires, quant à elles, également connues sous le nom de batteries rechargeables ou de stockage, peuvent être rechargées plusieurs fois en passant un courant électrique à travers elles dans la direction opposée à celle du courant de décharge. Cela inverse la réaction chimique et restaure la batterie à son état d’origine.

Les batteries de stockage secondaires sont désormais couramment utilisées dans les véhicules, les téléphones mobiles, les ordinateurs portables et les appareils portables, ainsi que pour stocker l’électricité produite par le solaire pour une utilisation nocturne.

Types de cellules primaires courantes et tensions :

• Zinc-Carbone : 1,5 volts
• Alcaline : 1,5 volts
• Lithium ion (Li-ion) : 1,8 à 3,65 volts
• Oxyde de mercure : 1,35 à 1,4 volts

Types de cellules secondaires et tensions :

• Pb-acide : 2,1 volts
• Nickel-cadmium (NiCd) : 1,2 volts
• Argent-zinc : 1,5 volts

Nous pouvons donc voir qu’en fonction des matériaux chimiques utilisés dans la construction d’une batterie, la différence de potentiel entre les électrodes positive et négative est d’environ 1,5 volts pour une seule cellule de batterie complètement chargée, lorsqu’elle fournit un courant à une charge externe. Ainsi, pour avoir un potentiel de tension plus élevé, nous devons connecter deux ou plusieurs cellules de batterie individuelles pour former une batterie de cellules ou simplement une batterie.

Alors une “batterie” n’est rien d’autre qu’une combinaison de deux ou plusieurs cellules électrochimiques individuelles, avec le symbole schématique utilisé pour une batterie montrant plusieurs symboles de cellules individuelles reliées ensemble en série comme illustré.

Un symbole de batterie standard

Comme mentionné précédemment, la tension produite par un type particulier de cellule, qu’elle soit primaire ou secondaire, est déterminée par la composition chimique de la cellule elle-même, et pour obtenir une tension plus grande que la sortie d’une cellule unique, nous devons connecter plusieurs cellules ensemble.

Il en résulte que la tension terminale d’une batterie sera la somme de toutes les tensions des cellules additionnées. Ainsi, si nous avons six cellules zinc-carbone standard, la tension nominale de sortie serait : 6 x 1,5 ou 9,0 volts comme montré.

Une batterie de cellules

Il est clair que si nous avons “n” cellules connectées ensemble, la différence de potentiel à travers les bornes de sortie de la batterie sera “n” fois la différence de potentiel de chaque cellule unique. Notez que les mêmes types de cellules de batterie doivent être utilisés, nous ne pouvons pas mélanger différents types de cellules pour former une batterie.

L’idée est également vraie pour la connexion de batteries ensemble. Si par exemple nous connectons trois batteries alcalines PP3 de 9V ensemble en série, cela produirait : 3 x 9 = 27,0 volts d’alimentation.

Polarité des cellules de batterie

La polarité d’une cellule de batterie fait référence à l’orientation des bornes Positives (+) et Négatives (–) sur la cellule. La plupart des cellules de batterie ont des marquages clairs indiquant leur polarité. Dans le symbole de cellule de batterie ci-dessus, la ligne horizontale plus longue représente l’électrode positive, et la ligne horizontale plus courte représente l’électrode négative. Ainsi, comprendre la polarité des batteries est crucial lors de la connexion des cellules, car cela détermine la direction du flux d’électricité.

Flux de courant conventionnel autour d’un circuit

En supposant le “Flux de courant conventionnel“, la borne positive d’une cellule est l’endroit où le courant électrique sort et entre dans une autre cellule ou un appareil connecté. Elle est généralement marquée d’un signe plus (+). Dans les batteries cylindriques comme AA, AAA, etc., la borne positive est généralement l’extrémité surélevée. La borne négative est celle où le courant électrique entre dans la batterie à partir du circuit externe. Elle est marquée d’un signe moins (-) ou est plus plate par rapport à la borne positive.

En réalité, le flux de courant conventionnel est le flux de charge positive (trous) autour d’un circuit, de positif à négatif. Donc, le flux de courant conventionnel suppose le flux de courant électrique de positif à négatif et, dans tous les diagrammes et schémas de circuits, les flèches montrées sur les symboles pour les composants tels que les diodes et transistors pointent dans la direction du flux de courant conventionnel.

Flux d’électrons autour d’un circuit

Le flux réel d’électrons autour d’un circuit est opposé à la direction du flux de courant conventionnel, allant de l’électrode négative de la cellule de batterie (la cathode), revenant à l’électrode positive (l’anode) de la cellule de batterie.

Autrement dit, les électrons se déplacent de la borne négative à la borne positive en raison des forces répulsives entre les électrons chargés négativement à l’électrode négative et des forces d’attraction des trous à l’électrode positive. Ce mouvement réel des électrons de négatif à positif est ce que l’on appelle couramment le “Flux d’électrons“.

Il est important de noter que bien que la direction du flux d’électrons soit de négatif à positif, le courant électrique, représenté par le flux de courant conventionnel, se déplace de l’électrode positive à l’électrode négative. C’est-à-dire de positif à négatif, utilisé dans les diagrammes de circuits et les calculs électriques pour des raisons de cohérence et de compréhension.

Cependant, aussi bien le flux de courant conventionnel que le flux d’électrons sont utilisés par de nombreux manuels. En fait, il n’importe peu dans quelle direction le courant circule autour du circuit tant que la direction est utilisée de manière cohérente. La direction du flux de courant n’affecte pas ce que le courant fait à l’intérieur du circuit. En général, il est beaucoup plus facile de comprendre le flux de courant conventionnel – positif à négatif.

La capacité en ampères-heures des batteries

La quantité d’énergie qu’une batterie peut stocker est appelée sa capacité. Une batterie, ou cellule, stocke une charge sous forme d’énergie chimique et la convertit ensuite en énergie électrique à utiliser à un moment donné. Par conséquent, il doit y avoir un nombre limité de réactions chimiques dans une batterie chargée pour déplacer un courant électrique à travers un circuit avant que ses réserves d’énergie ne s’épuisent.

Nous pourrions donc mesurer la capacité d’une batterie en termes de nombre total d’électrons qu’elle pourrait produire, mais ce serait un énorme nombre puisque l’unité de coulomb (C) équivaut à 6,25 x 10¹⁸ électrons. En général, plus une cellule est grande, plus elle peut fournir d’énergie électrique, la quantité d’énergie disponible étant la capacité d’une cellule ou d’une batterie, qui est communément exprimée en Ah (ampères-heures).

La capacité d’une batterie de stockage, Q (en ampères-heures) est la quantité de charge électrique qui peut être fournie ou stockée par une batterie. Sa capacité en ampères-heures est le produit de l’intensité de courant i, en ampères (A) pour une durée donnée t, en secondes. C’est-à-dire : Q = i x t. Donc, si t est en heures, Q est en ampères-heures (Ah) car 1 ampère-heure = 3600 coulombs, sachant que 1 ampère = 1 coulomb d’électrons par seconde, et 1 heure = 3600 secondes.

Alors la note en Ampère-heure d’une batterie est essentiellement le nombre d’heures qu’une batterie (ou cellule) peut fournir une certaine quantité de courant, et les batteries ayant une capacité de 10 ampères-heures devraient être capables de fournir un courant électrique de 10 ampères à pleine tension à une charge connectée pendant exactement 1 heure avant de devenir complètement déchargée. Il s’ensuit donc que notre batterie de 10 ampères-heure fournirait 20 ampères pendant 1/2 heure, ou 5 ampères pendant 2 heures, car 5 x 2 = 10.

Exemple de batteries en tant que dispositifs de stockage d’énergie No1

1). Une batterie est requise pour fournir 500mA (0,5A) en continu pendant 3 jours. Quelle est la note en ampères-heures de la batterie ?   2). Une deuxième batterie est classée à une capacité de 100 Ah. Combien d’heures peut-elle fournir 2,5 ampères en continu ?

1. 3 jours = 3 x 24h = 72 heures

Ah = I x hr = 0.5 x 72 = 36 Ah

2. Temps, t en heures

t = Ah ÷ I = 100 ÷ 2.5 = 40 heures

Il est clair que la capacité d’une batterie (ou d’une cellule) en Ah dépend de la taille physique et du taux de décharge, car les réactions chimiques à l’intérieur de l’électrolyte des batteries produites par 1 ampère pendant 10 heures ne sont pas les mêmes que celles produites par 2 ampères pendant 5 heures, ou même 20 ampères pendant 1/2 heure. Notez également que les valeurs plus petites de capacité données en milliampères-heures, généralement abrégées mAh, sont également utilisées pour les petites batteries.

Différentes tailles de batteries

Les batteries existent dans diverses tailles physiques en fonction de leur capacité en ampères-heures. Chaque taille de batterie est désignée par un code de lettre de taille standard spécifique tel que :

• Batteries AAA (Triple-A) (1,5V)
• Batteries AA (Double-A) (1,5V)
• Batteries C (1,5V)
• Batteries D (1,5V)
• Batteries Lanternes (6V)
• Batteries PP3 (9V)
• Batteries bouton CR2032 (3V)
• Batteries pile CR2025 (3V)

Ces tailles sont standardisées pour garantir la compatibilité entre différents appareils. Différentes applications, des petits appareils auditifs aux grandes lampes de poche, requièrent différentes tailles de batteries pour fournir l’énergie appropriée.

Batteries comme dispositifs de stockage d’énergie Résumé

Les batteries sont essentiellement un regroupement de cellules connectées ensemble, produisant une source pratique et fiable d’énergie électrique CC quand cela est nécessaire. Elles sont utilisées dans une large variété d’appareils, car les batteries sont faciles à comprendre, peu coûteuses, raisonnablement légères et disponibles sous un large éventail de configurations de tension et de capacité de courant pour toutes sortes d’applications différentes.

Les batteries de stockage ont de nombreuses valeurs et spécifications électriques, mais les deux spécifications de batteries les plus importantes sont leur tension terminale et leur capacité de courant en ampères-heures. La quantité de tension produite par une cellule individuelle est déterminée par les matériaux à partir desquels elle est fabriquée.

La quantité d’énergie qu’une batterie peut stocker est appelée sa capacité, tandis que la quantité de puissance qu’une cellule de batterie peut délivrer est appelée sa capacité de courant. La capacité d’une batterie dépend de la taille physique de la cellule, du type de cellule de batterie utilisée, ainsi que du taux de décharge du courant, de la tension terminale et de la durée impliquée.

Les cellules de batterie sont classées comme étant soit des Cellules Primaires soit des Cellules Secondaires. Une cellule primaire est une cellule qui ne peut pas être rechargée et doit être remplacée par une nouvelle cellule une fois déchargée, car les réactions chimiques d’une cellule primaire provoquent l’érosion d’une des électrodes au fur et à mesure que l’énergie électrique est produite.

D’autre part, une cellule secondaire peut être rechargée une fois que son énergie stockée a été épuisée en inversant les réactions chimiques qui se sont produites pendant le cycle de décharge. Cela s’accomplit en connectant une alimentation DC à la cellule.