nico7413
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Les batteries occupent aujourd'hui une place importante dans la vie quotidienne (téléphones, ordinateurs portables, etc.). On aimerait tous utiliser des batteries plus performantes. Or l'autonomie et la durée de vie des batteries dépendent de la technique et des matériaux utilisés. Mais leurs performances changent-elles selon la façon dont on les utilise ?
Une batterie comprend plusieurs accumulateurs électrochimiques (ou piles rechargeables) branchés en série ou en parallèle. Un accumulateur fournit et stocke l'énergie grâce à la transformation chimique de matériaux « actifs », qui échangent des électrons. Il est formé de deux électrodes composées chacune d'un collecteur métallique de courant – qui transporte les électrons –, recouvert d'un matériau actif fonctionnant à un potentiel électrique donné. L'électrode positive a le potentiel le plus élevé et est reliée à la borne positive de l'accumulateur ; l'électrode négative a le potentiel le plus faible.
Les électrodes sont immergées dans un liquide (ou un gel), nommé électrolyte, qui contient des ions. Quand l'accumulateur est débranché, les électrodes ne sont pas connectées par un circuit externe et les électrons ne circulent pas. Dès que l'on branche un appareil aux bornes de l'accumulateur, les électrodes tendent à égaliser leur potentiel en échangeant des électrons. La continuité électrique s'établit et un flux d'électrons est produit à l'électrode négative : le matériau actif se transforme en libérant des électrons selon une réaction d'oxydation. Ces électrons traversent l'appareil, l'alimentant au passage, et arrivent à l'électrode positive où ils sont consommés par une réaction dite de réduction de son matériau actif. Durant la décharge, la tension de l'accumulateur – ou différence de potentiels des deux bornes – diminue. Lors de la recharge, la réaction n'est pas spontanée : de l'énergie est nécessaire pour ramener les matériaux actifs à leur état initial.
Maintenir un accumulateur « rechargé » ou ne s'en servir que lorsqu'il est peu chargé n'est pas anodin. Quand les matériaux d'électrodes sont en permanence rechargés, s'ils sont stables et n'évoluent pas dans le temps, cela ne pose pas de problème. Mais pour les accumulateurs utilisant des électrodes positives en nickel par exemple, à l'état chargé, le matériau actif est sous forme d'oxy-hydroxyde de nickel de type bêta (β-NiOOH). Ce composé peut être réduit et oxydé un grand nombre de fois, ce qui confère à la batterie une grande durée de vie. Mais quand le β-NiOOH est maintenu à haut potentiel, il se transforme en plusieurs semaines en une structure différente, nommée α-NiOOH. Or ce composé ne se décharge que partiellement. Garder cette batterie en état de charge élevée diminue donc sa durée de vie. Y a-t-il une solution ? Décharger tous les mois la batterie au nickel évite la formation de cette phase indésirable. C'est ce qui était recommandé avec les batteries nickel-cadmium, qui ne sont plus utilisées par le grand public.
Qu'en est-il du plus populaire des accumulateurs à lithium-ion ? Dans ce système, les matériaux utilisés ne sont pas tous stables aux potentiels de fonctionnement de l'accumulateur. Par exemple, l'aluminium, le collecteur de courant de l'électrode positive, s'oxyderait s'il n'y avait pas une couche protectrice de fluorure d'aluminium très stable. De même, complètement chargée, l'électrode négative fonctionne dans un domaine de potentiels où l'électrolyte n'est pas stable et se réduit : une couche dite de passivation se forme à la surface de l'électrode.
Batteries lithium-ion
La croissance de cette couche a deux effets : elle augmente la résistance interne de la batterie, ce qui diminue sa puissance, et elle consomme des ions lithium, ce qui réduit sa capacité. Ainsi, le vieillissement de l'accumulateur dépend de l'état de charge dans lequel est stockée la batterie. Plus le matériau actif de l'électrode négative est conservé sous sa forme réduite, plus il y a de réactions de dégradation formant la couche de passivation. Et la température amplifie ces phénomènes.
Une couche de passivation apparaît aussi sur les électrodes positives en oxyde de cobalt lithié des batteries fonctionnant à 3,9 volts. En revanche, les nouveaux accumulateurs lithium-ion qui fonctionnent à plus faible potentiel (3,5 volts), avec une électrode positive en phosphate de fer lithié (LiFePO4), ne forment pas cette couche de passivation.
Ainsi, une décharge complète ne restitue pas les propriétés initiales de la batterie lithium-ion. Mais une batterie déchargée régulièrement vieillira moins vite, car le risque de formation des couches de passivation diminue, et ce, d'autant plus que sa température reste basse (environ 20 °C).
Voila en espérant vous avoir quelque peu éclairé si je puis dire :lol:
