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BATTERIE

Enjeu essentiel pour le développement des voitures électriques. En 2010, la solution n'est pas encore satisfaisante. Les recherches sont orientées vers l'autonomie, la diminution du temps de rechargement, la taille, la sécurité et, bien entendu, le coût de revient.

Vocabulaire

Batterie: groupement de plusieurs appareils de même type (accumulateurs, piles, condensateurs, etc.) disposés en série ou en parallèle.
Batterie d'accumulateurs d'une automobile.

Batterie (électrique): appareil qui transforme l'énergie chimique en électricité et constitué de plusieurs piles ou d'accumulateurs connectées en série ou en parallèle.

(Série => à la queue leu leu; parallèle => côte à côte)

Voir DicoCulture / Apocope

Invention de la pile

En 1780, Luigi Galvani (médecin italien) étudie l'effet de l'électricité sur les muscles des animaux (grenouilles). Un scalpel mis en contact avec le nerf provoque la contraction du muscle, effet renforcé si le scalpel est mis sous tension électrique.

En 1785, Charles Coulomb expérimente l'attraction et la répulsion d'objets chargés en électricité. Il établit la loi qui porte son nom: F = C. q.q'/d² (similaire à loi de l'attraction de Newton).

Jusque là la source d'électricité était la bouteille de Leyde, une sorte de condensateur.

En 1800, Alessandro Volta, interprète différemment les travaux de Galvani et en vient à penser que c'est la présence de deux métaux différents qui est source de courant. Il expérimente avec des pièces de monnaie, avec le picotement sur la langue … Bref, il invente la pile électrique: un empilement de couples de disques zinc-cuivre en contact direct, chaque couple étant séparé du suivant par un morceau de tissu imbibé de saumure (eau salée).

Tous les laboratoires se mettent à la fabriquer. Voilà une source d'électricité beaucoup plus pratique que la précédente et qui dure plus longtemps. Alors, les expériences vont se suivent et la quantification des phénomènes en même temps.

Voir Histoire de l'électronique

APPROCHE

Technologie classique en 2010: Cathode (+) Dioxyde de cobalt Électrolyte Sels de lithium Anode (–) Graphite Performance – densité énergétique: Typique (Ni-Mh) 100 Wh /kg Nickel-hydrure métallique Maximale existante (Li) 200 Wh /kg Lithium-ion Espoir ? 600 Wh /kg Recherche CNRS Carburant liquide 10 000 Wh /kg à titre de comparaison Durée de chargement Prise 16 ampères 8 h Prise 32 ampères 5 h Batterie typique (ex: VW Golf Blue-e-motion prévue pour 2014) Capacité totale 26, 5 kWh Capacité utile 18 kWh

Voir Unités d'énergie et de puissance

D'après Science et Vie – Automobile 2010 et l'Express 19/01/2011

Énergie des batteries actuelles
Type Densité Densité en Wh/kg en Wh/litre Carbone-Zinc 35 90 Plomb 40 100 Ni-Cad 40 140 Ni-Mh 100 300 Alcaline longue durée 110 320 Lithium-ion 130 230 Lithium-polymère 200 300 Une batterie de 20 kWh pèsera typiquement: 100 Wh 1 kg 1 kWh 10 kg 20 kWh 200 kg

Batterie au plomb – Principe

Il s'agit de la batterie d'accumulateurs classique qui est sous le capot de votre voiture, dans sa boîte en bakélite, généralement noire ou grise. Invention de Gaston Planté, physicien français, en 1859. Constitution Électrode négative (anode): plaque remplie de plomb « spongieux »; Électrode positive (cathode): plaque contenant une pâte d'oxyde de plomb (dioxyde); Électrolyte: solution diluée d'acide sulfurique; Séparateurs: feuilles rectangulaires, placées entre les plaques positives et les plaques négatives. Fonctionnement: Électrode négative: production d'électrons et d'ions de plomb; Les électrons parcourent le circuit électrique extérieur et Les ions de plomb et les ions sulfates de l'électrolyte forment du sulfate de plomb. Électrode positive: les électrons en provenance du circuit avec les ions hydrogène de l'électrolyte et l'oxyde de plomb forment de l'eau. Le plomb et l'acide sulfurique forment du sulfate de plomb. Schéma de principe (simplifié): En bref: le plomb métallique libère des électrons lorsqu'il réagit avec la solution, et de l'autre, le dioxyde de plomb en capture. Note: par convention, le courant électrique circule du plus vers le moins, soit dans le sens inverse des électrons. Explications La batterie engendre une circulation d'électrons – d'électricité – dans le circuit électrique: ici, une ampoule; dans une voiture, il s'agit du moteur électrique du démarreur et des accessoires électriques de la voiture. La batterie au plomb se décharge progressivement dans ce circuit électrique en "consommant" les électrodes et l'acide sulfurique pour produire de l'eau et du sulfate de plomb. Une circulation forcée d'électrons dans l'autre sens – accumulateur branché sur une source d'électricité – provoque la réaction inverse et régénère les électrodes et l'électrolyte. La batterie se charge. Formululation des réactions chimiques

Anglais: Lead-acid battery

Batterie au plomb – Relativité

La tension délivrée par chaque accumulateur ("chaque pile") est toujours de 2,1 volts. Une batterie est constituée de six accumulateurs montés en série. Elle délivre 12,6 volts en pleine charge et, on considère qu'elle est déchargée lorsque la tension descend à 10,8 volts. Le démarreur d'une voiture automobile requiert une grande intensité (de 80 à 400 ampères) pour mettre en route le moteur de la voiture. La constance de la tension est due notamment à un effet relativiste! C'est une découverte de 2011 par des chercheurs suédois et finlandais. Le plomb est un élément chimique lourd: son numéro atomique est 82. Les électrons les plus proches du noyau ont une vitesse qui monte à 60% de la vitesse de la lumière; ceux les plus lointains sont déjà à 1%. À ces vitesses, les effets relativistes ne sont pas négligeables. La masse d'une particule augmente avec la vitesse. Du fait de la vitesse, les électrons du plomb prennent de la masse, ou du moins de l'énergie selon la formule célèbre: E = mc². L'effet relativiste expliquerait 80% de l'énergie de la batterie. L'électrode de plomb libère des électrons de la couche externe peu d'effet sur la masse. faible quantité d'énergie pour arracher les électrons. L'électrode en dioxyde de plomb capture des électrons qui vont graviter dans les couches profondes effet important sur la masse; ces électrons sont dotés d'un supplément d'énergie. forte quantité d'énergie récupérée. La puissance de la batterie au plomb s'expliquerait donc par la différence entre les électrons au départ et à l'arrivée.

Sources: Encarta 2003 / Science et Vie – Août 2011 / Sites Internet

AVIONS & PC
Janvier 2013 : avions Boeing 787 Dreamliner interdits de vols. Cause : batteries au lithium-ion qui explosent ou sujettes à l’emballement thermique. Airbus à remplacer les siennes dans l’A350. Apple, Dell et Sony avaient déjà connus ces déboires avec leurs PC et Smartphones. Pas question d’utiliser ces batteries sous cette forme dans les voitures électriques.

Lithium – Air
Toyota et BMW coopèrent pour développer une batterie au lithium et air ambiant. Densité énergétique multipliée par 10. IBM dispose d’un prototype et mise sur une commercialisation dans cinq à dix ans. Il existe un programme européen auquel participe le CEA.

Graphène

Février 2013 : Université de Californie du Sud Mise au point d’une batterie lithium – ion utilisant du graphène Dix fois plus performantes et rechargeable en dix minutes. Technologie : couche de nanoparticules de silicium entre deux feuilles de graphène. Graphène découvert en 2004 par les russes Andre Geim et Konstantin Novoselov, prix Nobel de physique en 2010. Le courant (les électrons) circule dans le graphène 10 fois plus vite que dans le silicium et sans pratiquement chauffer. L’Union Européenne investit un milliard d’euros sur dix ans pour développer cette technologie. Idéales pour les petits appareils multimédia. Des doutes subsistent quant à l’équipement des voitures. Le graphène reste encore très cher à produire. La Corée du Sud est leader dans ce domaine.

Pile à hydrogène (ou pile à combustible)

1839 : invention de la pile combustible. Nécessite un carburant externe en réservoir : l’hydrogène ou méthanol Hyundai produit le 4x4 Tucson en version à hydrogène. Nissan coopère avec Ford et Daimler ; Renault mise sur les batteries lithium-ion. Le CEA travaille sur une pile à hydrogène sans platine, un métal cher. Le méthanol est abandonné car rejetant du dioxyde de carbone et du monoxyde de carbone.

Super-condensateur
Utilisation de condensateurs de grande capacité. Sert à accumuler de l’énergie et la restituer en une fois. C’est le cas pour emmagasiner l’énergie de freinage et récupérer pour accélérer. Une batterie peut fournir un max de 150 W/kg ; un super-condensateur est capable de 5 000 W /kg

Suite	Loi d'Ohm Énergie
Voir	Électrodes Électronique - Bases Éléments chimiques Histoire de l'électronique Montage de résistances Plan 34-2013 Sciences – Index Tube triode
Junior	Notion d'électricité, moteur, voiture électrique (fichier .ppt)
DicoNombre	Nombre 200
Site	Battery Energy Tables. Batterie au plomb – Wikipédia Rechargeable battery – Wikipedia Battery basics (schemas) Les batteries de voitures doivent beaucoup... à la relativité d’Einstein
Cette page	http://villemin.gerard.free.fr/aScience/Electron/Batterie.htm