Les batteries électriques ont une gamme d'applications extrêmement large. Ils sont utilisés comme source d'électricité dans jouets pour enfantsLes batteries sont également utilisées dans les outils électriques et comme source de propulsion dans les véhicules électriques. Afin de les utiliser correctement, il est nécessaire de connaître leurs propriétés, leurs forces et leurs faiblesses.
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Qu'est-ce qu'une batterie électrique et comment est-elle construite ?
La batterie électrique - est un produit renouvelable source d'énergie électrique. Contrairement aux piles galvaniques, une fois déchargée, elle peut être rechargée. En principe, toutes les batteries ont la même structure et se composent d'une cathode et d'une anode placées dans un électrolyte.
Le matériau de l'électrode et la composition de l'électrolyte varient, et c'est ce qui détermine les propriétés de consommation des batteries et leur application. Un séparateur diélectrique poreux - un séparateur imprégné d'électrolyte - peut être placé entre la cathode et l'anode. Mais il détermine surtout les propriétés mécaniques de l'assemblage et n'affecte pas fondamentalement le fonctionnement de la cellule.
Le fonctionnement de la batterie repose essentiellement sur deux conversions d'énergie :
- électrique à chimique sur la charge ;
- chimique en énergie électrique lors de la décharge.
Les deux conversions sont basées sur des réactions chimiques réversibles, dont le déroulement est déterminé par les substances utilisées dans la batterie. Dans la cellule plomb-acide, par exemple, la partie active de l'anode est constituée de dioxyde de plomb et la cathode est constituée de plomb métallique. Les électrodes sont dans un électrolyte d'acide sulfurique. Pendant la décharge à l'anode, le dioxyde de plomb est réduit en sulfate de plomb et en eau, et le plomb à la cathode est oxydé en sulfate de plomb. Pendant la charge, les réactions inverses se produisent. Dans d'autres modèles de batteries, les composants réagissent différemment, mais le principe est similaire.
Types de piles et de batteries
Les propriétés de consommation des piles rechargeables sont principalement déterminées par leur technologie de production. Plusieurs types d'éléments de batterie sont les plus courants dans les foyers et l'industrie.
Plomb-acide .
Ce type de piles a été inventé au milieu du XIXe siècle et a toujours son créneau d'application. Parmi ses avantages, citons :
- une technologie de production simple, peu coûteuse et élaborée au fil des décennies ;
- sortie à courant élevé ;
- longue durée de vie (de 300 à 1000 cycles de charge-décharge) ;
- le plus faible courant d'autodécharge ;
- aucun effet de mémoire.
Il y a quelques inconvénients. Tout d'abord, il s'agit d'une faible densité de puissance qui entraîne une augmentation des dimensions et du poids. De même, des performances médiocres à des températures inférieures au point de congélation, notamment en dessous de moins 20 °C, ont été constatées. L'élimination des déchets pose également des problèmes - les composés de plomb sont très toxiques. Mais c'est un défi pour d'autres types de batteries doit également être prise en compte..
Bien que la conception des accumulateurs au plomb ait été optimisée, il est possible de l'améliorer. Par exemple, il existe la technologie AGM où un matériau poreux imprégné d'électrolyte est placé entre les électrodes. Les processus de charge et de décharge électrochimiques ne sont pas affectés. Cela améliore principalement les caractéristiques mécaniques des batteries (résistance aux vibrations, capacité à travailler dans presque toutes les positions, etc.) et augmente légèrement la sécurité opérationnelle.
L'amélioration du fonctionnement sans perte de capacité et de courant à des températures allant jusqu'à moins 30°C constitue également un avantage notable. Les producteurs de batteries AGM affirment avoir augmenté le courant de démarrage et la durée de vie.
Une autre modification de la batterie au plomb est la batterie au gel. L'électrolyte est épaissi jusqu'à l'état de gelée. Cela permet d'éviter les fuites d'électrolyte pendant le fonctionnement et élimine la possibilité de dégagement de gaz. Cependant, le courant de sortie est quelque peu réduit, ce qui limite l'utilisation des batteries au gel comme batteries de démarrage. Les propriétés miraculeuses déclarées de ces batteries en termes de capacité et de durée de vie accrues relèvent de la responsabilité des spécialistes du marketing.
Les batteries au plomb sont généralement chargées en mode de stabilisation de la tension. Cela augmente la tension de la batterie et diminue le courant de charge. La fin du processus de charge est indiquée par la chute du courant à une limite prédéfinie.
Nickel-cadmium .
Ils arrivent en fin de vie et leur champ d'utilisation diminue progressivement. Leur principal inconvénient est leur effet mémoire. Si vous commencez à charger une batterie Ni-Cd incomplètement déchargée, la cellule "se souvient" de ce niveau et la capacité est alors déterminée par cette valeur. Un autre problème est le faible respect de l'environnement. Les composés toxiques du cadmium posent des problèmes lors de l'élimination de ces piles. Les autres inconvénients sont les suivants :
- une forte tendance à l'autodécharge ;
- une capacité énergétique relativement faible.
Mais il y a aussi des avantages :
- faible coût ;
- longue durée de vie (jusqu'à 1000 cycles de charge-décharge) ;
- capacité à délivrer un courant élevé.
Ces batteries ont également l'avantage de pouvoir fonctionner à des températures négatives basses.
Les cellules Ni-Cd sont chargées en mode courant constant. La pleine utilisation de la capacité peut être obtenue par une diminution progressive ou continue du courant de charge. La fin du processus est contrôlée par une réduction de la tension de la cellule.
Hydrure métallique de nickel .
Elles sont conçues pour remplacer les piles au nickel-cadmium. Elles présentent de nombreuses caractéristiques et performances supérieures à celles des batteries Ni-Cd. L'effet de mémoire a été partiellement éliminé, la capacité de puissance a augmenté d'environ une fois et demie et la tendance à l'autodécharge a été réduite. Dans le même temps, le rendement actuel est resté élevé et le coût est resté à peu près au même niveau. La question de l'environnement est atténuée - les batteries sont produites sans l'utilisation de composés toxiques. Toutefois, cela a été compensé par un cycle de vie considérablement plus court (jusqu'à 5 fois plus court) et la capacité de fonctionner à des températures négatives allant jusqu'à -20°C contre -40°C pour les batteries nickel-cadmium.
Ces cellules sont chargées en mode DC. La fin du processus est contrôlée lorsque la tension de chaque cellule s'élève à 1,37 volt. Le courant pulsé à émissions négatives est le mode de charge le plus favorable. De cette façon, les effets de l'effet mémoire sont éliminés.
Batteries lithium-ion
Les batteries lithium-ion envahissent le monde. Ils délogent d'autres types de batteries des zones où la position semblait immuable. Les cellules Li-ion n'ont pratiquement pas d'effet mémoire (il existe, mais à un niveau théorique), supportent jusqu'à 600 cycles de charge-décharge et ont une capacité 2 à 3 fois supérieure à celle des batteries nickel-métal-hydrure.
La tendance à l'autodécharge pendant le stockage est également minime, mais vous devez littéralement payer pour tout cela - ces batteries sont beaucoup plus chères que les batteries traditionnelles. On peut s'attendre à ce que les prix baissent au fur et à mesure que la production se développe, comme c'est généralement le cas, mais il est peu probable que la technologie existante permette de surmonter les autres inconvénients inhérents à ces batteries (courant de sortie réduit, incapacité à fonctionner à des températures inférieures à zéro).
En plus d'un risque accru d'incendie, cela entrave quelque peu l'utilisation de Batteries Li-ion. Il faut également tenir compte du fait que ces cellules sont sujettes à la dégradation. Même s'ils ne sont pas chargés et déchargés, leur espérance de vie elle-même tombe à zéro en 1,5...2 ans de stockage.
Le mode de charge le plus favorable se fait en deux étapes. D'abord avec un courant constant (avec une tension légèrement croissante), puis avec une tension constante (avec un courant légèrement décroissant). Dans la pratique, la deuxième étape est mise en œuvre sous la forme d'un courant de charge en constante diminution. Plus souvent encore, cette étape consiste en une seule étape - un courant stabilisé décroissant.
Les principales caractéristiques des batteries
Le premier paramètre que l'on recherche lors du choix d'une batterie est son tension nominale. La tension d'un élément de batterie est déterminée par les processus physiques et chimiques qui se déroulent à l'intérieur de l'élément et dépend du type de batterie. Une batterie entièrement chargée peut fournir :
- cellule plomb-acide - 2,1 volts ;
- nickel cadmium - 1,25 volts ;
- nickel-métal-hydrure - 1,37 volts ;
- Lithium-ion - 3,7 volts.
Pour obtenir des tensions plus élevées, les cellules sont assemblées en batteries. Ainsi, pour une batterie de voiture, 6 batteries au plomb doivent être connectées en série pour produire 12 volts (12,6 volts pour être exact), et pour un tournevis de 18 volts, 5 batteries lithium-ion de 3,7 volts chacune.
Le deuxième paramètre important est capacité. Cela détermine la durée de fonctionnement de la batterie sous charge. Il est mesuré en ampères-heures (courant divisé par le temps). Par exemple, une batterie d'une capacité de 3 A⋅h sera déchargée en 3 heures avec un courant de 1 ampère, et avec un courant de 3 ampères en 1 heure.
Important ! A proprement parler, la capacité d'une batterie dépend du courant de décharge le produit du temps de décharge du courant et du courant de décharge à différentes valeurs de charge ne sera pas le même pour la même batterie.
Et le troisième paramètre important capacité de transport de courant. Il s'agit du courant maximal qu'une batterie peut fournir. Ceci est important, par exemple, pour batterie de voiture - détermine la capacité à faire tourner l'arbre moteur par temps froid. La capacité à fournir des courants élevés, créant un couple élevé, est également importante pour les outils électriques, par exemple. Pour les gadgets mobiles, cependant, cette caractéristique est moins importante.
Les propriétés électriques et les performances des batteries dépendent de leur conception et de leur technologie de production. Une bonne utilisation de la batterie implique de tirer parti des avantages des sources d'énergie chimiques renouvelables et d'en aplanir les inconvénients.
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