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.
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.
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.
La technologie 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.
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.
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.
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