Schémas & Tutoriels

Piles, accumulateurs et batteries

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Les accumulateurs et les piles constituent les moyens de stockage d’énergie portables les plus connus. Ils existent sous un très grand nombre de formes, de capacités et de tensions

La recherche d’énergie portable mobilise la science depuis longtemps, et elle n’a pas encore trouvé la “solution idéale ». Il existe donc une assez large variété de solutions utilisées dans les les appareils électriques et électroniques.

Pile, accumulateur ou batterie ?
Identifier une pile ou une batterie
Tester une pile ou une batterie
Pannes courantes
Modèles courants de batteries et d’accumulateurs
Batterie lithium-ion

Pile, accumulateur, ou batterie?

Une pile électrique, souvent dite “alcaline”, abrégée en “pile”, est à décharge irréversible. Elle ne peut donc être utilisée qu’une seule fois. (note en bas de page : certains systèmes permettent de la “recharger”, mais pas plus de 10 fois)
Un accumulateur électrique, souvent abrégé en accumulateur ou accu, parfois appelé abusivement “pile rechargeable”, utilise une chimie réversible. Elle peut ainsi être rechargée et réutilisée, bien que chaque recharge réduise ses performances.
Une batterie d’accumulateurs, souvent abrégé en batterie, est un ensemble d’accumulateurs électriques. On utilise souvent le terme batterie pour désigner un seul accumulateur, comme lorsque l’on parle de la batterie d’un téléphone portable, alors qu’il n’a qu’une seule cellule

Composition

Les piles et les accumulateurs sont des dispositifs électrochimiques qui produisent de l’électricité en convertissant de l’énergie chimique en énergie électrique (grâce à une réaction d’oxydoréduction). Leur composition varie en fonction de leur technologie mais comprend deux matériaux différents composant les électrodes (à base de cadmium, de lithium, de zinc, de plomb, …) et un électrolyte (matière qui laisse passer les électrons, souvent liquide).

Identifier une pile ou une batterie

Trois paramètres importants différencient les piles et les batteries les unes des autres, et seront importants à prendre en compte en cas de remplacement.

• Leur format : les dimensions des piles et des batteries doivent toujours être respectées. Ces dimensions sont standardisées, et certains de ces formats sont bien connus : AA, AAA, CR2032, 18650, …
• Leur tension nominale : exprimée en Volt (V), il s’agit de la tension que peut fournir la pile ou la batterie en fonctionnement normal.
• Leur capacité de stockage : exprimée en en mAh (“milliampère-heure”), elle caractérise la charge maximale de la pile ou batterie, qui équivaut à sa durée de décharge multipliée par le courant fourni

Les valeurs de ces paramètres sont normalement indiquées sur les piles ou batteries.

Tester une pile ou une batterie

Il existe plusieurs façons de vérifier l’état d’une pile ou d’une batterie. La plus simple (mais pas la plus efficace) consiste à utiliser un multimètre en position voltmètre à courant continu et de mettre les sondes de part et d’autre de la pile. De cette manière, la tension de la batterie peut être vérifiée et comparée à la tension nominale. Au fur et à mesure qu’une pile est utilisée et se décharge, la tension fournie diminue elle aussi légèrement. La tension réelle ne sera donc que rarement exactement égale à la tension nominale.

Cette méthode n’est néanmoins pas entièrement précise car elle mesure la tension “à vide” de la cellule : aucune charge n’y étant connectée, elle ne donne pas d’information sur la charge réelle de la batterie. Il existe des testeurs spéciaux de cellules qui, en plus de mesurer la tension, appliquent une charge au moyen d’une résistance placée en parallèle entre les pôles positif et négatif pour vérifier la charge réelle.

La résistance pour les piles de 1,5 V est de environ 3,3 kOhm et pour les piles de 9 V est de environ 100 Ohm.

Attention : une pile ou une batterie peut contenir une certaine énergie. Ne mettez pas les cellules en court-circuit (connecter les deux bornes ensemble sans charge). Cela peut causer des brûlures voire s’enflammer !

Piles : pannes courantes

Les piles présentent un défaut majeur : laissées trop longtemps dans un appareil, elles peuvent “couler”. C’est-à-dire que l’électrolyte peut sortir de la pile et endommager l’appareil et ses contacts.

Pour régler le problème, il faut alors nettoyer l’appareil et les contacts (languettes ou ressort accueillant les piles), en grattant ou en nettoyant avec du contact cleaner.

Pour éviter ce problème, il faut toujours retirer les piles d’un appareil s’il n’est pas utilisé pendant une longue période (plus de 6 mois).

Modèles courants de batteries et d’accumulateurs

Accumulateurs NiMh (Nickel metal hydrure)

D’une tension de 1,2V, ces cellules varient en capacité en fonction de leur taille et modèle. Une pile AA aura une capacité entre 1300 et 2800 mAh.

Les accumulateurs de forme similaire aux piles alcalines sont souvent appelées “piles rechargeables”. Leur test et leur remplacement sont similaires aux piles alcalines. Elles peuvent également couler.

D’autres accumulateurs “NiMh” sont présents dans les batteries d’appareils plus anciens. Le test de ces cellules est possible comme pour les piles. Il faut remplacer les cellules défectueuses par des nouvelles, ou l’ensemble.

Crédit photo : batterie-boutique.fr

Note : les ancêtres des batteries NiMh sont les batteries NiCd. Elles ne sont plus autorisées à la vente en Europe. Si vous devez changer ces cellules dans un appareil, il vaut mieux passer au Lithium-ion.

Lithium-ion

À ce jour, les batteries les plus utilisées sont les batteries au lithium (souvent nommées “Lithium-ion”), qui représentent le meilleur compromis entre la densité énergétique, l’autodécharge, l’encombrement, la sécurité, la portabilité, la durée de vie, les coûts de production, …

La durée de vie d’une batterie dépend généralement du nombre de cycles complets de charge effectués¹. Les piles au lithium ont une durée de vie de charge/décharge entre 900 à 2000 cycles, selon la technologie.

De plus en plus, les appareils ménagers utilisent des batteries plutôt qu’une prise de courant pour s’alimenter. C’est une solution très pratique mais qui a des conséquences plutôt négatives en termes de production de déchets et de pollution.

Le plus simple lorsqu’une batterie ne délivre pas la tension nécessaire, est de remplacer la batterie entière, sans analyser les cellules ou le BMS séparément, étant donné la complexité et la dangerosité de l’action.

Comme pour toutes les piles et batteries, le format, la tension nominale, et la capacité sont les paramètres importants des batteries au Lithium. Ce sont les grandeurs à vérifier lorsque l’on souhaite tester ou remplacer une batterie.

Le format le plus classique consiste en une cellule cylindrique 18650 (18mm de diamètre x 65 mm de hauteur), mais les pratiques des fabricants évoluent rapidement.
La tension d’une batterie lithium est toujours comprise entre 3 et 4.2 V. En dessous de 2.5V, la batterie est probablement gravement endommagée.
La capacité est généralement comprise entre 1200 et 3400 mAh pour des cellules 18650. Certains sites proposent des valeurs supérieures, mais il s’agit d’escroqueries.²

A cela s’ajoute une couche de technologie spécifique aux batteries au Lithium. En particulier, comme elles sont sujettes à la surchauffe, elles sont toujours équipées d’un système de gestion de batterie (Battery Management System – BMS). Ce dernier équilibre les cellules lors de la charge, possède un capteur de température et interrompt le circuit et sécurise le système en cas de surchauffe.

Si l’on veut remplacer une batterie, il vaut donc mieux toujours remplacer une batterie par une batterie ayant la même référence fabricant.

La capacité d’une cellule (dernière ligne) au lithium qui a déjà « vécu” longtemps est d’environ 1.050 mAh. Alors qu’une nouvelle cellule a une capacité d’environ 2.230 mAh.

De plus, vérifier si une batterie au lithium est en bon état, il ne suffit malheureusement pas de mesurer sa tension avec un multimètre en fonction voltmètre continu (bien que cela donne une idée), il faut utiliser des instruments plus sophistiqués. Ceux-ci permettent de mesurer la résistance interne, qui est une valeur importante influençant le bon fonctionnement. Celle-ci ne doit être que de quelques milli-Ohms.³

Instrument de mesure (chargeur/déchargeur de batterie) spécifique pour batteries Li-ion. Les cellules de cette batterie ont une tension d’ environ 4,18V et une résistance interne de 33 milli-Ohm

Lorsqu’une cellule défectueuse est détectée, il faut la remplacer par une cellule similaire. Pour ce faire, il faut ressouder la cellule dans la batterie, en pratiquant une « soudure par points » : une tige de nickel va être soudée sur la cellule grâce à la soudeuse par point (spot welding machine)⁴. Cette méthode permet d’éviter la surchauffe de la cellule, qui se produirait si l’on utilisait un fer à souder classique à l’étain.

Certaines batteries, comme celles de PC, disposent d’un compteur de cycles de charge. Avec certains logiciels, cette information peut être affichée.

Capture d’écran d’un programme permettant la lecture des paramètres d’une batterie. On y voit un compteur de cycles de charge.

¹ On considère qu’il y a un cycle complet lorsque la batterie se vide de 100% et se recharge à 100%, en une seule fois ou en cumulé.

² Il peut être intéressant d’acheter des piles usagées en 2e main. De nombreuses personnes récupèrent des cellules de batteries de vélo ou de trottinettes défectueuses, testent chaque élément et les revendent à un prix raisonnable. (Souvent, les batteries de vélo ne comportent qu’une ou deux cellules défectueuses, mais cela compromet l’ensemble du système et, comme il est coûteux de les réparer, elles sont jetées).

³ Si elle est plus élevée, la cellule a perdu de son efficacité et une grande partie de l’énergie qui lui est fournie est directement convertie en chaleur. C’est pourquoi les batteries au lithium sont toujours équipées d’un capteur de température placé directement en contact avec le corps de la cellule.

⁴ Celle-ci envoie une forte décharge électrique qui lie instantanément la tige de Nickel au corps de la cellule.