Qu'est-ce qu'une batterie ?

On trouve des batteries dans de nombreux objets du quotidien — téléphones, télécommandes, véhicules électriques. Elles permettent de stocker de l’énergie, donc d’avoir accès à l’électricité loin d’une prise de courant.

Leur composition, leur fabrication et leur fonctionnement ne sont pourtant pas évidents. Cet article explique tout ce qu’il faut savoir sur le fonctionnement d’une batterie, en commençant par la base : les cellules.

Une batterie est composée de cellules, et un BMS veille sur l’ensemble.

Les cellules : la brique de base d’une batterie

L’unité élémentaire d’une batterie est la cellule : le plus petit élément capable de stocker de l’électricité. Elles ressemblent aux piles AA, celles des télécommandes. Une batterie est donc un assemblage de plusieurs cellules.

Comment fonctionne une cellule ?

Une cellule stocke l’électricité sous forme d’énergie chimique potentielle.

Quand une cellule se charge ou se décharge, des réactions chimiques d’oxydoréduction créent un flux d’électrons : le courant électrique. Plus précisément, l’anode (le côté négatif à la décharge) s’oxyde et libère des électrons, que la cathode (le côté positif) reçoit. Dans une cellule, ces électrodes sont reliées aux bornes.

Les électrons quittent l’anode, traversent la charge qui y est connectée et reviennent par la cathode. À l’intérieur de la cellule, des ions positifs traversent l’électrolyte dans le même sens que les électrons. La charge électrique de chaque côté reste ainsi neutre : la charge négative des électrons et la charge positive des ions s’annulent.

Réactions chimiques au sein d’une cellule

Décharger une cellule fait passer les électrodes — anode et cathode — d’un niveau d’énergie élevé à un niveau plus bas. Ces réactions sont bien sûr réversibles : en faisant circuler un courant en sens inverse, la cellule se recharge.

Voici les définitions des termes techniques employés plus haut :

• Oxydoréduction : réaction chimique associant une oxydation (libération d’électrons) et une réduction (absorption d’électrons) ;

• Électrode : élément sur lequel se produisent les réactions d’oxydoréduction ;

• Anode : électrode oxydée, qui produit les électrons ;

• Cathode : électrode réduite, qui reçoit les électrons ;

• Électrolyte : substance capable de laisser passer les ions tout en bloquant le flux d’électrons.

Caractéristiques d’une cellule

Chaque cellule a son électrochimie, définie par les matériaux qui composent l’anode et la cathode. La tension de la cellule en découle : par exemple, les cellules à électrodes en graphite et lithium fer phosphate (LFP) ont une tension nominale de 3,2 V. Mais quand l’état de charge varie, la tension varie aussi.

Chaque cellule a également une capacité, mesurée en ampères-heures (Ah). Cette valeur représente la quantité de charge électrique que la cellule peut stocker ; elle dépend de la chimie, de la forme et de la taille de la cellule. Des électrodes plus grandes stockent une charge plus importante. La charge de la batterie s’appelle l’état de charge (SoC).

En multipliant la tension par la capacité, on obtient l’énergie stockée dans la cellule, en Wh. Attention : cette valeur est aussi appelée capacité, d’où l’importance de préciser l’unité pour éviter la confusion.

Les cellules existent sous différentes formes :

• Cylindriques : piles AA ou cellules 18650, qu’on trouve dans les vélos à assistance électrique ;

• Rectangulaires : dans les téléphones ou les véhicules électriques.

La cellule 18650, ainsi nommée d’après son diamètre (18 mm), sa longueur (65 mm) et sa forme (cylindrique, donc 0), est le format qu’on rencontre dans toutes les applications de petite mobilité.

Cellule rectangulaire

Recharge et vieillissement des cellules

Pour recharger une cellule, on applique entre les électrodes une tension de signe opposé à la tension de décharge naturelle — plus simplement, on branche la batterie sur une prise. Cette tension doit être supérieure à la tension de décharge. Un courant traverse alors la batterie et fait se produire les réactions d’oxydoréduction en sens inverse. L’énergie électrique est absorbée par la cellule pour être utilisée plus tard.

Une cellule rechargeable peut être réutilisée un grand nombre de fois, mais chaque cycle de décharge et de recharge endommage l’intérieur de la cellule. Cette dégradation entraîne une baisse de performance en capacité et en rendement, et une hausse de la résistance interne.

Agencement des cellules

Une batterie est composée d’une ou plusieurs cellules, associées en parallèle et/ou en série, pour fournir une tension, un courant et une capacité donnés.

Quand les cellules sont montées en série (positif sur négatif), leurs tensions s’additionnent : on obtient une tension supérieure à ce qu’une seule cellule pourrait atteindre.

Cellules en série

Quand elles sont montées en parallèle (positif sur positif, négatif sur négatif), ce sont la capacité et le courant qui s’additionnent.

Cellules en parallèle

En combinant série et parallèle, on obtient une batterie à la tension, au courant et à la capacité voulus selon l’usage.

Les batteries se désignent par l’agencement de leurs cellules : xSyP, soit x groupes en série de y cellules en parallèle.

Une batterie 3S2P : 3 groupes de 2 cellules lithium-ion en parallèle

Le système de gestion de batterie (BMS)

Les cellules ne sont pas exactement identiques : tension, capacité et résistance interne peuvent varier légèrement d’une cellule à l’autre. En les assemblant sans précaution, certaines cellules ou groupes de cellules se déchargent et se rechargent à des vitesses différentes. À la longue, la batterie se retrouve en partie surchargée et en partie sous-chargée.

Cellules à des niveaux de charge différents

Ce déséquilibre entre cellules doit être évité : les cellules lithium peuvent en particulier surchauffer et s’endommager.

Pour l’éviter, le BMS (Battery Management System) répartit la charge entre les cellules pendant la recharge, en la transférant des cellules surchargées vers celles qui le sont moins.

Le BMS permet aussi de suivre le SoC, la température et la tension de chaque cellule, donc de surveiller l’état de santé de la batterie et d’agir pour prolonger sa vie. La qualité du BMS compte autant que celle des cellules dans la qualité d’une batterie.

Références

Battery aging process, publié dans la Philips Research Book Series (PRBS, volume 9)