Quels sont les différents types de batteries ?

Alors que le monde se tourne de plus en plus vers les sources d'énergie renouvelables et le stockage d'énergie à l'échelle du réseau, il est avantageux de comprendre les différentes technologies de batterie disponibles. Chaque type de batterie offre des caractéristiques adaptées à des applications précises, de la stabilisation du réseau aux systèmes d'alimentation de secours. Dans cet article, nous allons explorer les principaux types de batteries stationnaires, leurs constituants chimiques, leurs applications types, ainsi que les avantages et les inconvénients de chaque technologie. 

Cependant, avant d'examiner les différents types de batteries, il peut être utile de s'arrêter sur les caractéristiques générales de ces dernières. Toutes les batteries sont des dispositifs électrochimiques. Elles sont donc inévitablement soumises aux lois qui régissent les réactions chimiques. Tous les types de batteries sont notamment affectés par la température. Les températures élevées réduisent la durée de vie d'une batterie, tandis que les températures plus basses réduisent sa capacité et ses performances. Les batteries qui doivent fonctionner dans des environnements anormalement chauds ou froids doivent donc être choisies et dimensionnées avec une attention particulière.

 

Batteries plomb-acide

Les batteries plomb-acide sont l'une des technologies de batteries rechargeables les plus anciennes et les mieux établies. Elles sont utilisées depuis plus d'un siècle dans un large éventail d'applications, du démarrage des véhicules au stockage de l'énergie hors réseau en passant par la fourniture d'une alimentation continue.

Constituants chimiques

Les batteries plomb-acide se composent de plaques positives au dioxyde de plomb (PbO2) et de plaques négatives au plomb spongieux (Pb), toutes immergées dans un électrolyte d'acide sulfurique (H2SO4).

Types de batteries

1. Plomb-acide ouverte (VLA) : ce type de batterie nécessite un appoint régulier en eau.
2. Plomb-acide à recombinaison de gaz (VRLA) : les batteries étanches, y compris les batteries de type à séparateur en fibre de verre (AGM) ou les batteries gel. Elles doivent être soumises à des tests réguliers, car elles fonctionnent avec peu d'électrolyte.

Applications types

• Alimentation de secours pour les télécommunications et les centres de données
• Systèmes d'énergie renouvelable hors réseau et reliés au réseau
• Alimentation continue (UPS)
• Bornes de recharge pour véhicules électriques
• Démarrage des véhicules essence et diesel

Avantages

• Technologie bien établie depuis de nombreuses années : on dispose donc de nombreuses connaissances et d'une vaste expérience en ce qui concerne leur utilisation et leur entretien.
• Faible coût initial : les batteries plomb-acide sont souvent le choix le plus économique pour le stockage d'énergie à court terme.
• Hautement recyclables : près de 100 % des batteries plomb-acide peuvent être recyclées, ce qui en fait un choix respectueux de l'environnement.
• Fiables et tolérantes aux surcharges : lorsqu'elles sont correctement gérées, les batteries plomb-acide peuvent supporter des surcharges occasionnelles sans subir des dommages importants.

Inconvénients

• Densité énergétique inférieure à celle des nouvelles technologies : elles ont besoin de plus d'espace pour stocker la même quantité d'énergie que certaines batteries plus avancées.
• Durée de vie plus courte, en particulier en cas de décharge importante : des décharges importantes régulières peuvent réduire considérablement la durée de vie des batteries plomb-acide.

 

Batteries lithium-ion

En raison de leur densité et de leur efficacité énergétiques élevées, les batteries lithium-ion ont révolutionné le stockage de l'énergie. Elles sont de plus en plus populaires pour le stockage de l'énergie sur le réseau, les véhicules électriques et les appareils électroniques portables.

Constituants chimiques

Les batteries lithium-ion utilisent un composé de lithium comme électrode positive et généralement du graphite comme électrode négative. L'électrolyte se compose de sel de lithium dans un solvant organique.

Types de batteries

1. Lithium, nickel, manganèse, oxyde de cobalt : bon équilibre entre densité énergétique et puissance.
2. Lithium, fer, phosphate : sécurité et longue durée de vie.
3. Lithium, nickel, cobalt, oxyde d'aluminium : densité énergétique élevée.
4. Lithium, oxyde de manganèse : bonne stabilité thermique et sécurité.

Applications types

• Stockage d'énergie sur réseau et stabilisation du réseau
• Véhicules électriques et véhicules hybrides
• Systèmes de stockage d'énergie résidentiels et commerciaux
• Appareils électroniques portables et outils électriques

Avantages

• Densité énergétique élevée : solutions de stockage de l'énergie plus compactes et plus légères, un facteur essentiel pour certaines applications comme les véhicules électriques.
• Longue durée de vie : de nombreuses batteries lithium-ion peuvent résister à des milliers de cycles de charge/décharge, ce qui en fait un choix économique à long terme.
• Faible taux d'auto-décharge : les batteries lithium-ion peuvent maintenir leur charge plus longtemps lorsqu'elles ne sont pas utilisées, ce qui les rend adaptées pour les applications où leur utilisation est intermittente.
• Aucun effet mémoire : contrairement à certaines technologies de batterie plus anciennes, les batteries lithium-ion n'ont pas besoin d'être complètement déchargées avant d'être rechargées.
• Charge rapide : cette caractéristique est particulièrement avantageuse pour les applications nécessitant des délais d'exécution rapides, comme les véhicules électriques.

Inconvénients

• Coût initial plus élevé : bien qu'il tende à diminuer, le coût initial des batteries lithium-ion est toujours plus élevé que celui des batteries plomb-acide.
• Problèmes de sécurité potentiels (emballement thermique) : dans de rares cas, les batteries lithium-ion peuvent surchauffer et prendre feu.
• Nécessité de systèmes de gestion de batterie sophistiqués : des systèmes de gestion complexes sont requis pour éviter les surcharges, les décharges excessives, les surchauffes et pour équilibrer les batteries.
• Dégradation des performances à des températures élevées : l'exposition à des températures élevées peut accélérer la perte de capacité et réduire la durée de vie globale de la batterie.

 

Batteries à flux

Les batteries à flux sont des batteries rechargeables qui stockent l'énergie dans un électrolyte liquide. Elles permettent de dissocier la puissance de la capacité énergétique, ce qui les rend particulièrement évolutives pour les applications de stockage d'énergie à grande échelle.

Constituants chimiques

Le type le plus courant est la batterie VRFB (pour Vanadium Redox Flow Battery, batterie à flux redox au vanadium), qui utilise des ions vanadium dans différents états d'oxydation. Parmi les autres principes chimiques des batteries à flux, on peut citer le zinc-brome et le fer-chrome.

Applications types

• Stockage d'énergie à grande échelle
• Intégration des énergies renouvelables
• Micro-réseaux et systèmes hors réseau
• Gestion industrielle et commerciale de l'énergie

Avantages

• Longue durée de vie : les batteries à flux peuvent généralement résister à des dizaines de milliers de cycles de charge/décharge sans dégradation importante.
• Possibilité de décharges complètes sans dommage : contrairement à de nombreux autres types de batteries, les batteries à flux ne sont pas endommagées par une décharge complète.
• Facilement évolutives en augmentant la taille du réservoir : la capacité énergétique peut être augmentée simplement en utilisant des réservoirs d'électrolyte plus grands, sans changer les composants actifs.
• Risque d'incendie plus faible que les batteries lithium-ion : les électrolytes liquides utilisés dans la plupart des batteries à flux sont ininflammables, réduisant ainsi les risques pour la sécurité.

Inconvénients

• Faible densité énergétique : les batteries à flux nécessitent plus d'espace que les batteries lithium-ion pour stocker la même quantité d'énergie.
• Système complexe : dans la mesure où elles nécessitent de grands réservoirs d'électrolyte, les batteries à flux sont plus complexes sur le plan mécanique que les batteries à électrolyte solide.
• Coût initial plus élevé : la complexité des systèmes de batterie à flux entraîne souvent un coût initial plus élevé, bien que leur longue durée de vie puisse l'amortir.
• Risque de fuite d'électrolyte : un confinement et un entretien appropriés sont essentiels pour éviter la contamination environnementale due aux fuites d'électrolyte.

 

Batteries sodium-ion

Les batteries sodium-ion reposent sur une technologie émergente qui offre une alternative potentiellement plus durable aux batteries lithium-ion. Ces batteries utilisent des matériaux moins rares et moins coûteux, ce qui pourrait améliorer considérablement les futures applications de stockage de l'énergie.

Constituants chimiques

Similaires aux batteries lithium-ion, elles utilisent des ions sodium au lieu d'ions lithium pour le transfert de charge. La cathode est généralement composée d'une couche d'oxyde métallique, tandis que l'anode est souvent en carbone dur.

Applications types

• Stockage d'énergie à l'échelle du réseau
• Stockage d'énergie résidentiel et commercial
• Véhicules électriques
• Appareils électroniques portables (en cours de développement)

Avantages

• Matériaux moins rares et moins coûteux : les ressources de sodium étant beaucoup plus abondantes que celles de lithium, les coûts pourraient baisser et la production devenir plus durable.
• Potentiellement plus respectueuses de l'environnement : les matériaux utilisés dans les batteries sodium-ion sont généralement moins toxiques et plus faciles à recycler que ceux des batteries lithium-ion.
• Possibilité de décharger complètement les batteries pour un transport plus sûr : contrairement aux batteries lithium-ion, les batteries sodium-ion peuvent être complètement déchargées, ce qui simplifie la logistique d'expédition et de stockage.

Inconvénients

• Densité énergétique inférieure à celle des batteries lithium-ion : les batteries au sodium-ion peuvent ne pas être adaptées aux applications où le poids et la taille sont des facteurs essentiels.
• Technologie encore aux premiers stades de sa commercialisation : les batteries sodium-ion sont une technologie nouvelle et elles n'ont pas encore prouvé leur fiabilité ni leurs performances à long terme en situation réelle.
• Manque de données en ce qui concerne les applications à grande échelle : l'absence de données approfondies sur le terrain complique les prédictions des performances à long terme et des problèmes potentiels.

 

Batteries à base de nickel

Bien que moins courantes dans les nouvelles installations, les batteries à base de nickel sont toujours utilisées dans certaines applications stationnaires. Elles offrent des performances fiables et peuvent supporter des conditions environnementales difficiles.

Constituants chimiques

Les batteries à base de nickel utilisent l'oxyhydroxyde de nickel (NiOOH) comme électrode positive. L'électrode négative et l'électrolyte diffèrent d'un type de batterie à l'autre. Pendant la décharge, l'électrode à l'oxyhydroxyde de nickel est réduite en hydroxyde de nickel, tandis que l'électrode négative est oxydée. Ce processus s'inverse pendant la charge.

Types de batteries

1. Nickel-cadmium (NiCd) : connues pour leur durabilité.
2. Nickel-métal-hydrure (NiMH) : offrent une densité énergétique plus élevée que les batteries NiCd sans utiliser de cadmium, qui est toxique.

Applications types

• Réseaux d'alimentation de secours industriels
• Signalisation ferroviaire
• Démarrage et alimentation de secours dans l'aviation
• Systèmes de télécommunications à distance

Avantages

• Robustes et durables : les batteries à base de nickel peuvent résister à des conditions difficiles, y compris des contraintes physiques.
• Bonne durée de vie : lorsqu'elles sont correctement entretenues, les batteries à base de nickel peuvent durer de nombreuses années et supporter des milliers de cycles.

Inconvénients

• Densité énergétique inférieure à celle des batteries lithium-ion : cela les rend moins adaptées aux applications où l'encombrement et le poids sont un facteur essentiel.
• Effet mémoire (en particulier pour les batteries NiCd) : les cycles de décharge partielle peuvent entraîner une perte de capacité utile, nécessitant de décharger complètement la batterie de temps à autre.
• Problèmes environnementaux liés au cadmium dans les batteries NiCd : la nature toxique du cadmium a entraîné des restrictions sur l'utilisation des batteries NiCd dans de nombreuses régions.

 

L'importance d'un test adéquat

Chacune de ces technologies de batterie nécessite un programme de test spécifique pour garantir des performances, une sécurité et une longévité optimales. Les méthodes de test et leur fréquence varient considérablement d'un type de batterie à l'autre. Par exemple :

• Les batteries plomb-acide nécessitent que des mesures de la gravité spécifique, des tests de capacité et des tests ohmiques soient réalisés régulièrement pour évaluer leur état de santé.
• Il est utile de soumettre les batteries lithium-ion à une surveillance sophistiquée de l'état de santé et à des tests d'impédance pour détecter les premiers signes de dégradation.
• Il peut être nécessaire d'analyser la composition de l'électrolyte des batteries à flux en plus de réaliser des tests électriques standard pour garantir des performances optimales.

La réalisation de tests adéquats est donc essentielle non seulement pour maintenir les performances de la batterie, mais également pour garantir la sécurité et la fiabilité des systèmes de stockage de l'énergie. Des tests réguliers peuvent aider à cerner les problèmes potentiels avant qu'ils ne conduisent à des pannes, à optimiser les stratégies de gestion de la batterie et à prolonger la durée de vie globale du système de stockage de l'énergie.

 

Conclusion

Il existe de nombreux types de batteries stationnaires, chaque technologie offrant ses propres avantages et défis. Alors que les capacités de stockage de l'énergie continuent de se développer, il est probable que nous assistions à des innovations et à des améliorations supplémentaires de la technologie des batteries.

Il est essentiel de comprendre les caractéristiques des différents types de batteries afin de choisir la technologie adaptée à l'application envisagée. Il est tout aussi important de mettre en œuvre des programmes de test et d'entretien appropriés pour garantir le fonctionnement optimal de ces batteries tout au long de leur cycle de vie.

Dans notre prochain article, nous explorerons les subtilités des tests effectués sur les différentes technologies de batterie et la manière dont les solutions de Megger peuvent contribuer à garantir la fiabilité et la longévité des systèmes de stockage de l'énergie.

 

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