L'évolution de la batterie : du plomb au Lithium

Equipements
Samedi 29 octobre 2022 à 12h08

La batterie est l’équipement indispensable pour stocker l’énergie électrique sur un bateau. Depuis sa mise sur le marché en 1910, son évolution a été lente. Il a fallu attendre ces dernières années pour qu’elle devienne significative. Pour en savoir plus, nous avons demandé au directeur de la société Wattforfun de nous éclairer sur cette évolution.

Batteries électrolyte liquide fermée ©Albert Brel
La batterie est l’équipement indispensable pour stocker l’énergie électrique sur un bateau. Depuis sa mise sur le marché en 1910, son évolution a été lente. Il a fallu attendre ces dernières années pour qu’elle devienne significative. Pour en savoir plus, nous avons demandé au directeur de la société Wattforfun de nous éclairer sur cette évolution.

Du début du 20ème siècle à nos jours 

Sur les premières voitures automobiles, il n’y avait pas d’équipement électrique donc la présence d’une batterie n’était pas nécessaire. En 1918, le constructeur automobile Hudson Motor est le premier à utiliser une batterie pour actionner un démarreur qui permettait de lancer le moteur. Jusqu’aux années 1950, les batteries utilisées étaient en 6 volts. Les moteurs, de plus en plus puissants, ont amené les constructeurs à passer aux 12 volts sur la majorité des voitures. Les deux gros problèmes sur les anciennes générations de batteries étaient l’autodécharge et le poids. On entend par autodécharge le fait qu’une batterie se décharge lorsque l’on ne l’utilise pas ce qui nécessite un entretien important. Les premières batteries (avant 1910) étaient présentées dans un caisson en bois puis quelques années plus tard avec un caisson en caoutchouc. Il fallut attendre la généralisation des matières synthétiques dans les années 60 pour voir apparaître ce que nous connaissons de nos jours : des bacs en polypropylène.

Rôle et conception des batteries

Sans entrer dans des détails techniques, nous pouvons dire qu’une batterie est un système électrochimique. En pratique, elle travaille dans les deux sens, elle convertit l’énergie chimique en électrique et inversement Son rôle est d’emmagasiner de l’énergie électrique et de la restituer. Les principaux composants d’une batterie sont le plomb, le plastique (polypropylène) et l’acide sulfurique. Le plomb a été retenu pour sa facilité de mise en œuvre, sa masse volumique (densité), sa résistance à la corrosion et recyclable à l’infini. Le plastique (enveloppe microporeuse en polyéthylène) pour son pouvoir isolant et son insensibilité à l’acide, il sert à isoler les plaques (positives/négatives). L’acide pour son point de congélation très bas et le fait qu’il soit soluble dans l’eau.

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Sur une batterie ouverte : possibilité de vérifier le niveau de l'électrolyte© Albert Brel

Batteries sans entretien

Les anciens modèles avec bouchons, bien que toujours fabriquées, ont pratiquement disparu du marché. Sur ces modèles, il faut régulièrement rajouter de l’eau distillée pour refaire le niveau d’électrolyte et éviter que les plaques en plomb qui supportent la matière active, soient découvertes. Elles ont un taux d’autodécharge important et doivent être rechargées régulièrement. Les évolutions les plus significatives ont été d’utiliser des plaques (grilles) plomb/calcium avec de l’étain. Le rôle principal de l’étain est de retarder le vieillissement, réduire la consommation d’eau et d’améliorer la résistance mécanique, le calcium est l’élément le plus significatif. En effet, lorsqu’il est combiné au plomb et à l’étain, il rend les batteries sans entretien en éliminant l’antimoine responsable des pertes en eau. Avec ces composants, on a pu réaliser des batteries dites sans entretien avec électrolyte liquide, AGM ou gel.

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Batterie ouverte© Albert Brel

Charge et décharge

Pour charger une batterie, on connecte à ses bornes un chargeur. La plaque négative attire les électrons cédés par la plaque positive. Lorsque l’on branche un consommateur aux bornes de la batterie, l’effet inverse se produit. La fourchette de tension entre une batterie chargée ou déchargée est mince. A titre indicatif, une batterie est chargée à 100% à 12.80 volts, à 50% à 12.20 volts et déchargée à 100% à 11.60 volts. Une batterie déchargée en dessous de 50% et n’étant pas rechargée rapidement ne retrouve jamais sa pleine charge.

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Batteries ouvertes, à déconseiller© Albert Brel

La technologie Lithium

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Batterie Lithium

Pour comprendre la technologie d’une batterie Lithium, il faut se rapprocher de la batterie au plomb. Cette dernière est constituée de grilles de plomb (une positive et une négative) séparées par un isolant, puis plongées dans une solution d’acide (électrolyte). Lorsque la batterie est chargée, il y a équilibre entre les composants chimiques des plaques et l’électrolyte. Lorsque l’on rompt cet équilibre en branchant aux bornes de la batterie un consommateur, l’électrolyte se combine aux plaques et se transforme en eau. La batterie se décharge. Pour lui redonner sa capacité, il faut lui réinjecter du courant (alternateur, chargeur, panneau solaire, éolienne, etc.). Sur une batterie Lithium, la réaction est fondée non plus sur le plomb mais sur le Lithium. Cette technologie a demandé beaucoup de recherche pour trouver les bons composants qui présenteront le bon compromis afin d’obtenir une puissance maximum, un poids minimum et surtout une grande sécurité d’utilisation. Les trois principales technologies sont : le Lithium-ion, le Lithium-ion polymère et le Lithium-fer phosphate (LFP ou LiFePO4). Actuellement, c’est cette dernière qui a été retenue pour les bateaux. Bien qu’elle produise une tension (3.3 volts par cellule) plus faible que les autres technologies, elle a comme avantages : d’avoir une utilisation sécurisée et un prix de revient moins élevé du fait de composants moins onéreux.

Sur une batterie lithium (LiFePO4), la cathode est du phosphate de fer (peu cher) qui ne dégage pas d’hydrogène ; il n’y a donc pas de risque d’explosion ni d’émission de gaz toxiques. Quant à sa durée de vie, elle est importante. Sa seule contrainte technique est qu’elle doit posséder un système de régulation et de sécurité BMS (Battery Management System) qui est généralement intégré dans la batterie.

Leur fonctionnement peut s’assimiler à une batterie AGM. Les deux éléments principaux sont la cathode (phosphate de fer lithié) avec un collecteur en aluminium, l’anode en graphite avec un collecteur en cuivre, reste l’électrolyte qui est un polymère gélifié. Lorsque l’on charge la batterie, il y a changement d’état de la cathode qui entraine une formation de graphite à l’anode. Lors de la décharge, le processus s’inverse. La tension d’une cellule est voisine de 3.3 volts. A l’inverse des batteries au plomb, la capacité ne varie pas avec l’intensité de décharge. La décharge complète est sans risque et la recharge rapide. Elles sont insensibles à la température (plage -20°, +60°C) et la durée de vie et le nombre de cycles sont importants.

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Batterie AGM Flybat bien adaptée pour les servitudes

Points faibles et forts du Lithium

Etant sensible aux intensités de charge et de décharge, elle doit avoir une électronique de contrôle interne à la batterie, appelée BMS (Battery Managing System). Les anciennes générations de chargeurs ne sont pas adaptées à leur recharge. Les constructeurs l’ont bien compris et, la majorité des nouveaux chargeurs mis sur le marché depuis quelques années, a une sortie pour recharger les LFP. Cette dernière accepte un courant de charge important et peut être rechargée rapidement. Reste le prix, il est beaucoup plus élevé que pour une batterie standard. Mais, ce dernier doit être ramené à l’utilisation spécifique et à la durée de vie. Sur une batterie traditionnelle, on ne peut utiliser que 50% de la capacité avant de la recharger. Sur une Lithium, on peut utiliser 100% sans risque et effectuer une recharge très rapide. Une batterie au plomb est donnée pour un nombre de cycles (une charge/recharge) compris entre 300 et 500, sur une Lithium de qualité, il est donné pour plus de 3000 à une décharge de 100%, 5000 à 80% et 10.000 à 65%.

Et le câblage ? Il est identique à celui des batteries au plomb. Le BMS non seulement gère la charge/décharge de la batterie, mais il permet de visualiser l’état de la batterie sur un smartphone ou une tablette à l’aide d’une application. Elle vous indique toutes les données telles que l’état de chaque élément de la batterie, son état de charge global, la capacité, la température, etc. Dernier point important en particulier sur un bateau, le poids, elle est au moins, à capacité égale, deux fois plus légère qu’une batterie standard. 

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Anatomie d'une batterie AGM

Notre avis

Si vous devez changer votre parc batterie, il faut savoir que les modèles dits ouvertes (avec bouchons) sont déconseillés. Les technologies fermées à électronique liquide avec bien souvent un voyant de charge sont toujours d’actualité de même que celles au gel et AGM. Pour le Lithium, si le prix semble élevé à capacité égale par rapport aux autres technologies, il faut le ramener à la durée de vie plus longue, à la capacité disponible plus importante et à la recharge rapide. En prenant en compte tous ces éléments, le prix devient compétitif.

L'équipe
Nathalie Moreau
Nathalie Moreau
Nathalie Moreau est l'atout voyage et évasion de l'équipe, elle est passionnée de croisières et de destinations nautiques. En charge du planning rédactionnel du site figaronautisme.com et des réseaux sociaux, Nathalie suit de très près l'actualité et rédige chaque jour des news et des articles pour nous dépayser et nous faire rêver aux quatre coins du monde. Avide de découvertes, vous la croiserez sur tous les salons nautiques et de voyages en quête de nouveaux sujets.
Gilles Chiorri
Gilles Chiorri
Associant une formation d’officier C1 de la marine marchande et un MBA d’HEC, Gilles Chiorri a sillonné tous les océans lors de nombreuses courses au large ou records, dont une victoire à la Mini Transat, détenteur du Trophée Jules Verne en 2002 à bord d’Orange, et une 2ème place à La Solitaire du Figaro la même année. Il a ensuite contribué à l’organisation de nombreux évènements, comme la Coupe de l’America, les Extreme Sailing Series et des courses océaniques dont la Route du Rhum et la Solitaire du Figaro (directeur de course), la Volvo Ocean Race (team manager). Sa connaissance du monde maritime et son réseau à l’international lui donnent une bonne compréhension du milieu qui nous passionne. Il collabore avec les équipes de METEO CONSULT et Figaro Nautisme depuis plus de 20 ans.
Sophie Savant Ros
Sophie Savant Ros
Sophie Savant-Ros, architecte de formation et co-fondatrice de METEO CONSULT est entre autres, directrice de l'édition des « Bloc Marine » et du site Figaronautisme.com. Sophie est passionnée de photographie, elle ne se déplace jamais sans son appareil photo et privilégie les photos de paysages marins. Elle a publié deux ouvrages consacrés à l'Ile de Porquerolles et photographie les côtes pour enrichir les « Guides Escales » de Figaro Nautisme.
François Tregouet
François Tregouet
Depuis toujours, François est passionné de voile en général et de multicoques en particulier. En croisière ou en course, de l’Europe à l’Australie, il ne les délaisse que lorsque le règlement l’exige : Mini-transat, Fastnet, Giraglia… Jamais rassasié de nouveautés, il a assisté à la plupart des salons sur les cinq continents. Depuis 2018 il se consacre entièrement à la rédaction et à l’information, notamment pour Figaro Nautisme.
Albert Brel
Albert Brel
Albert Brel, parallèlement à une carrière au CNRS, s'est toujours intéressé à l'équipement nautique. Depuis de nombreuses années, il collabore à des revues nautiques européennes dans lesquelles il écrit des articles techniques et rend compte des comparatifs effectués sur les divers équipements. De plus, il est l'auteur de nombreux ouvrages spécialisés qui vont de la cartographie électronique aux bateaux d'occasion et qui décrivent non seulement l'évolution des technologies, mais proposent aussi des solutions pour les mettre en application à bord des bateaux
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Charlotte Lacroix
Charlotte est une véritable globe-trotteuse ! Très jeune, elle a vécu aux quatre coins du monde et a pris goût à la découverte du monde et à l'évasion. Tantôt à pied, en kayak, en paddle, à voile ou à moteur, elle aime partir à la découverte de paradis méconnus. Elle collabore avec Figaro Nautisme au fil de l'eau et de ses coups de cœur.
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Max Billac
Max est tombé dedans quand il était petit ! Il a beaucoup navigué avec ses parents, aussi bien en voilier qu'en bateau moteur le long des côtes européennes mais pas que ! Avec quelques transatlantiques à son actif, il se passionne pour le monde du nautisme sous toutes ses formes. Il aime analyser le monde qui l'entoure et collabore avec Figaro Nautisme régulièrement
Denis Chabassière
Denis Chabassière
Naviguant depuis son plus jeune âge que ce soit en croisière, en course, au large, en régate, des deux côtés de l’Atlantique, en Manche comme en Méditerranée, Denis, quittant la radiologie rochelaise en 2017, a effectué avec sa femme à bord de PretAixte leur 42 pieds une circumnavigation par Panama et Cape Town. Il ne lui déplait pas non plus de naviguer dans le temps avec une prédilection pour la marine d’Empire, celle de Trafalgar …
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Michel Ulrich
Après une carrière internationale d’ingénieur, Michel Ulrich navigue maintenant en plaisance sur son Targa 35+ le long de la côte atlantique. Par ailleurs, il ne rate pas une occasion d’embarquer sur des navires de charge, de travail ou de services maritimes. Il nous fait partager des expériences d’expédition maritime hors du commun.
Eric Mas
Eric Mas
Eric Mas est l'un des fondateur de METEO CONSULT – La Chaîne Météo. Éminent spécialiste de météo, Eric est également un marin passionné qui a routé les plus grands skippers sur toutes les eaux du globe : VDH lors du premier Vendée Globe, Philippe Jeantot, Jean Maurel, Michel Desjoyeaux, Francis Joyon, et tant d'autres. Actuellement il participe au projet de Lalou Roucayrol sur son multi 50.
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