Une batterie est un accumulateur qui transforme de l’énergie chimique en énergie électrique. L’énergie chimique est transformée en énergie électrique lors des phases de décharge et une petite partie en chaleur. Lors des phases de charge, c’est l’énergie électrique qui est transformée en énergie chimique et une autre partie en chaleur.

Structure et composants d'une batterie

Structurellement, une batterie est un assemblage d’unités élémentaires appelées cellules. La cellule est composée d’une cathode, d’une anode, d’un séparateur et d’un électrolyte.

  • Cathode (borne positive +) : Endroit où se produit la réaction de réduction qui consomme les électrons.
  • Anode (borne négative -) : Endroit où se produit la réaction d’oxydation qui fournit les électrons.
  • Séparateur : Permet d’éviter les courts-circuits entre anode et cathode.
  • Électrolyte : Substance conductrice liquide ou solide permettant le déplacement cyclique et réversible d’ions entre les deux électrodes.

Une cellule est caractérisée principalement par sa tension élémentaire (de 1,2 à 3,9V selon l’électrochimie retenue). Ces deux termes sont utilisés pour définir les points d’entrée et de sortie du courant électrique, les bornes ou électrodes, d’une pile ou d’une batterie. La borne négative (-) d’une pile correspond à l’anode où se produit la réaction d’oxydation qui va fournir les électrons. La borne positive (+) d’une pile correspond à la cathode où se produit la réaction de réduction qui va consommer les électrons.

Dans un accumulateur, ces rôles s’inversent selon que l’appareil débite (actif) ou se charge (passif).

Historique et évolution des batteries

C’est en 1860 que le français Gaston Planté (1834-1889) construit la première « pile électrique » rechargeable, qu’il appelle alors pile secondaire ou accumulateur. Il utilise deux feuilles de plomb, séparées par une bande de caoutchouc, enroulées en spirale et plongées dans une solution liquide acide. La réaction chimique provoquée par le couple plomb + acide permet de stocker de l’électricité dans le dispositif lorsqu’il est parcouru par un courant électrique continu : c’est la période de « charge ». Dans un second temps, l’électricité est restituée lorsqu’un dispositif électrique, par exemple une ampoule, est raccordé à l’accumulateur. Le terme « décharge » est alors utilisé. Un accumulateur est en quelque sorte un « réservoir d’électricité ».

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Des batteries d’accumulateurs au plomb, produites sur le principe inventé par Gaston Planté, furent utilisées dès la fin du 19e siècle dans des véhicules. Aujourd’hui, nous retrouvons ce dispositif dans les batteries utilisées par nos automobiles pour leur démarrage.

Les accumulateurs, au même titre que les piles électriques, sont des générateurs électrochimiques. C’est-à-dire qu’ils produisent de l’électricité à partir de réactions chimiques. Ils sont étudiés et développés dans une discipline scientifique appelée électrochimie qui s’intéresse aux relations entre la chimie et l’électricité. L’électrochimie décrit les réactions et les phénomènes qui ont lieu à l’interface de deux systèmes conducteurs, cela à l’échelle des atomes. Ces échanges d’énergie, électroniques et ioniques, s’effectuent lors du transfert de charge d’un ou plusieurs électrons, produisant de l’électricité.

Les premiers accumulateurs ont été développés en étudiant les réactions du couple électrochimique plomb / acide. Les accumulateurs plomb / acide, de par leur grande simplicité, offrent deux avantages significatifs : leur coût peu élevé et leur capacité à débiter de forts courants. S’ils sont satisfaisants pour les applications de démarrage des véhicules, ils s’avèrent peu performants pour propulser des véhicules électriques.

D’autres couples électrochimiques, différents du couple plomb / acide ont donc été étudiés et développés par les chercheurs. Ils sont apparus à partir des années 1950, élargissant progressivement la famille des accumulateurs. Comme on peut le voir les besoins des différents types de véhicules (hybrides, hybrides rechargeables, électriques…) demandent des caractéristiques en énergie et puissance différentes.

Fonctionnement d'une batterie de voiture

Une batterie de voiture remplit deux fonctions : démarrer le moteur de votre voiture via son démarreur et alimenter tous ses composants électriques ou électroniques. Pour cela, le fonctionnement d'une batterie de voiture se base sur différents composants.

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Une batterie de voiture possède en effet deux électrodes + et -. Elles baignent dans un liquide appelé électrolyte, composé d'acide sulfurique. Des plaques de plomb sont disposées dans le boîtier de la batterie en couches alternées, reliées à la borne positive et à la borne négative.

Le courant de la batterie d'une voiture est délivré grâce à la connexion entre les deux bornes. Les électrons se déplacent du - vers le + pour fournir de l'électricité.

La recharge du courant de la batterie se fait grâce à l'alternateur. Il se produit alors la réaction inverse, du + vers le -. Le liquide peut alors se recharger en électrons. Un alternateur défectueux ne peut pas participer correctement à la recharge de votre batterie.

La décharge d'une batterie

La réaction chimique permettant à la batterie d’une automobile de fournir du courant au véhicule est nommée la décharge. Lorsque les deux électrodes sont mis en contact, les électrons de l’électrode négative (qui est faite de plomb) sont attirés vers l’électrode positive, qui est quant à elle composée de dioxyde de plomb. Une partie des électrons partent donc de la borne négative vers les équipements du véhicule afin de les alimenter en énergie, pendant que les composants de la batterie vont s'équilibrer. Les ions SO42- de l'électrolyte rejoignent alors les deux électrodes, qui deviennent alors tous deux du sulfate de plomb. L’électrolyte se change quant à elle majoritairement en eau suite à la libération d’oxygène provenant de la cathode dans le bain d’acide.

La recharge d'une batterie

Si les automobiles sont équipées de batteries au plomb, c’est en partie grâce au fait que la réaction chimique obtenue lors de la décharge n’est pas irréversible. En effet, lorsque l’alternateur d’un véhicule fait passer un courant électrique en direction de l’électrode négative, celui-ci va commencer à décomposer l’eau qui est contenue dans l’électrolyte. Les différents éléments constitutifs de la batterie du véhicule reprendront alors leur forme initiale. L’électrolyte sera de nouveau composé majoritairement d’acide sulfurique, et les deux électrodes retrouveront également leur composition originelle, en plomb et en dioxyde de plomb. Cette nouvelle mutation chimique des éléments des batteries des automobiles est connue sous le nom d’électrolyse.

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Une fois que l’électrolyse aura eu lieu, la batterie pourra entamer un nouveau cycle de décharge, puis une nouvelle recharge.

Différents types de batteries

Il existe différents types de batteries, cependant le principe de base du fonctionnement reste toujours le même. Seuls les métaux composant les électrodes et l’électrolyte varient.

  • Batteries au plomb-acide : Largement utilisées pour les usages nécessitant une charge et une décharge lente.
  • Batteries nickel-cadmium (NiCd) : Offrent une excellente durée de vie et une résistance aux températures extrêmes.
  • Batteries lithium-ion : Offrent une excellente densité énergétique et sont idéales pour les appareils portables.

Chaque type de batterie a ses avantages et ses inconvénients en termes de coût, de performance, de durée de vie et d'impact environnemental.

Les batteries des véhicules électriques ont généralement une durée de vie équivalente à celle du véhicule lui-même. Si elles ne sont pas malmenées dans leur première utilisation, elles peuvent avoir une seconde vie, notamment à des fins de stockage. En outre, le recyclage - via la réutilisation de matériaux d’anciennes batteries - permet de réduire les émissions de CO2 nécessaires à l’extraction de ces matières premières, qui est de plus coûteuse en énergie. A l’inverse, le recyclage demande 25 à 50 % d’énergie en moins par rapport à l’extraction du fait de la concentration de ces métaux dans l’ancienne batterie.

Une directive européenne désigne le producteur des batteries comme responsable du recyclage des batteries en fin de vie afin que celles-ci ne se retrouvent pas dans la nature, ses composants chimiques étant très polluants. Ce sont en réalité des organisations, mandatées par les gouvernements locaux ou montées de manière volontaire par des professionnels, qui prennent en charge la fin de vie des batteries.

Durée de vie d'une batterie de voiture

La batterie d'une voiture est ce qu'on appelle une pièce d'usure. Il faut la changer périodiquement, car elle s'use avec le temps. En moyenne, une batterie dure 4 à 5 ans, soit de 1000 à 1500 cycles de recharge. Cependant, la batterie d'origine de votre voiture dure généralement plus longtemps.

Évidemment, plus vous roulez, plus la durée de vie de la batterie sera courte. Mais a contrario, la batterie d'une voiture qui ne roule jamais peut aussi s'endommager rapidement. Par ailleurs, les changements de température peuvent aussi accélérer l'usure d'une batterie de voiture : elle est sensible aux chaleurs importantes et au froid.

Comment reconnaître une batterie HS

La batterie d'une voiture ne dure pas éternellement. Il est assez facile de savoir si votre batterie de voiture est morte. Voici les symptômes d'une batterie HS :

  • Les équipements électriques ne fonctionnent pas correctement : éclairage des phares affaibli, essuie-glaces qui peinent ou encore autoradio qui ne fonctionne pas.
  • Le voyant de la batterie est allumé sur le tableau de bord.
  • Une odeur nauséabonde provient de sous votre capot à cause de l'acide sulfurique.
  • La voiture ne démarre pas.
  • Vous entendez un bruit caractéristique de cliquetis ou de mitraillette quand vous tentez de lancer le moteur.

Il est aussi possible de vérifier que la batterie est bien HS. Pour cela, il faut tester la batterie. Utilisez un multimètre et branchez-le en mode voltmètre sur les bornes de votre batterie de voiture.

Démarrez le moteur et accélérez jusqu'à 2000 tours/min. La tension normale d'une batterie de voiture est située entre 13,2 et 15 V. Au-delà de 15 V, la batterie est en surcharge. En dessous de 13,2 V, la batterie est déchargée.

À l'arrêt, la tension normale d'une batterie de voiture doit être comprise entre 12,3 et 12,6 V. Si la tension est inférieure à 12,1 V, la batterie doit être rechargée. Si elle est inférieure à 10,6 V, vous devez changer la batterie de votre voiture car elle est HS !

Quand changer une batterie de voiture

Une batterie de voiture se change tous les 4 à 5 ans environ, mais il arrive qu'elle puisse durer jusqu'à 10 ans, notamment s'il s'agit de la batterie d'origine.

Si votre batterie commence à montrer des signes de faiblesse, mieux vaut la changer rapidement. Cela est particulièrement vrai en hiver, car vous allez solliciter davantage les équipements de votre voiture à cause des nuits plus longues (allumage des phares) et des intempéries (fonctionnement des essuie-glaces, dégivrage…). La batterie d'une voiture est aussi sensible au froid.

La batterie de votre voiture doit être testée tous les ans à l'occasion de votre révision. Si sa tension montre que la batterie est fatiguée, votre garagiste pourra ainsi la changer avant que vous ne tombiez en panne.

Comment recharger une batterie de voiture

Une batterie de voiture se recharge naturellement en roulant grâce à l'alternateur. Il est aussi possible de la recharger avec un chargeur de batterie. Attention : les câbles de batterie, qui consistent à la brancher sur la batterie fonctionnelle d'une autre voiture, permettent de démarrer le véhicule mais pas vraiment de recharger la batterie.

Matériel nécessaire :

  • Chargeur de batterie
  • Batterie de voiture

Étape 1 : Brancher le chargeur de batterie

Un chargeur de batterie se présente avec deux pinces, généralement rouge et noire. Il faut les brancher sur les bornes de votre batterie de voiture. Normalement, la pince rouge va sur la borne de même couleur, qui est la borne positive, et la pince noire sur la borne négative.

Étape 2 : Lancer le chargeur de batterie

Le chargeur de batterie doit se brancher sur le courant électrique. Une fois que le chargeur est branché sur la batterie, vous pouvez donc le brancher sur une prise secteur. Ensuite, appuyez sur le bouton pour l'allumer.

Étape 3 : Recharger la batterie

Après avoir démarré le chargeur de batterie, il ne vous reste plus qu'à attendre. La recharge complète d'une batterie de voiture à plat peut prendre jusqu'à 8 ou 10 heures, en fonction du chargeur et de la puissance de la batterie. Soyez donc patient !

Comment entretenir une batterie de voiture

Si la batterie d'une voiture est une pièce d'usure que vous ne pourrez pas éviter de changer périodiquement, il est possible de suivre quelques conseils pour prolonger sa durée de vie. Pour éviter la panne de batterie prématurée, vous pouvez respecter ces recommandations d'entretien :

  • Évitez les environnements chauds ou humides favorables à la corrosion ou à l’évaporation de l’acide sulfurique contenu dans votre batterie.
  • Vérifiez régulièrement le voltage de votre batterie.
  • En hiver et après contrôle, n’hésitez pas à la recharger : si elle n’est pas à un niveau de charge correct, le liquide contenu dedans peut geler sous 0 °C.
  • Contrôlez la fixation et nettoyez de temps en temps les bornes de votre batterie. La corrosion peut altérer son bon fonctionnement.
  • Si vous pouvez ouvrir votre batterie, vérifiez le niveau de liquide et si besoin mettez-le à niveau. Les électrodes doivent baigner dans le liquide pour que le courant passe.

Prix d'une batterie de voiture

Le changement de batterie de voiture une intervention très simple qui ne prendra pas plus de 30 minutes à votre garagiste. Vous n'aurez donc pas beaucoup de temps de main d'œuvre à payer. Le prix d'une batterie dépend cependant du modèle de votre voiture et de la capacité de votre batterie. Comptez entre 100 et 300 euros en moyenne pour le changement de votre batterie.

Où acheter une batterie de voiture

Si vous faites changer votre batterie de voiture en garage, votre garagiste s'occupera de son achat. Mais vous pouvez également acheter votre batterie vous-même. Vous trouverez des batteries de voiture en centre auto (Norauto, Feu Vert, Midas...), au rayon auto de certaines grandes surfaces (Carrefour, Auchan, Leclerc...) ou encore auprès de magasins automobile spécialisés, y compris en ligne.

Technologies de batteries en développement

Les constructeurs étudient aussi des évolutions de la technologie visant par exemple à utiliser un électrolyte solide constitué de films ultraminces en polymère. La décision d’interdire la vente de moteurs thermique après 2035, impose à l’Europe de rattraper son retard en matière de production de batteries et plusieurs pays en lien avec des constructeurs de véhicules et des startups ont lancé des projets de conception de nouveaux modèles de batteries (au lithium) avec des enjeux de recyclages pour les fabrications à venir.

Ainsi, les projets de « gigafactory », sites consacrés à la production de batteries de plusieurs gigawattheures (GWh) de capacité, se développent pour reprendre à terme une partie du marché aujourd’hui détenu par l’Asie (Chine, Corée du sud ou Japon). Au-delà de la création de ces sites, ce sont les produits eux-mêmes qui font l’objet d’innovations pour équiper les véhicules de demain avec des batteries plus performantes ...

Caractéristiques clés des batteries

Les besoins des différents types de véhicules (hybrides, hybrides rechargeables, électriques…) demandent des caractéristiques en énergie et puissance différentes :

  • Densité d’énergie : Détermine la quantité d’énergie électrique qu’elle contient dans un volume ou par unité de poids.
  • Durée de vie : Le nombre de cycles de charge et décharge. En quelque sorte le nombre de fois où l’on va pouvoir « faire le plein » avant d’avoir à remplacer les batteries.
  • Rapidité de charge : Les technologies les plus avancées acceptent des courants de charge de plus en plus élevés permettant de réduire les temps d’immobilisation des véhicules.

Voici quelques informations clés relatives aux caractéristiques des batteries :

  • Volt (V) : Il s’agit de la tension électrique de la batterie, c’est-à-dire la quantité d’électricité que celle-ci peut générer.
  • Ampère (A) : L’ampérage de la batterie permet de déterminer l’intensité du courant qui traverse un câble. Plus il y a d’ampères (intensités), plus les électrons qui passent sont nombreux.
  • Ampère par heure (Ah) : Il s’agit de la capacité de la batterie. Plus le chiffre est important, plus les réserves d’électricité sont élevées.

Recyclage et fin de vie des batteries

Si les véhicules électriques présentent de réelles qualités écologiques lors de leur phase d’utilisation, la fin de vie de ces véhicules doit aussi être exemplaire. Une directive européenne de 2000 transposée dans le droit français oblige la filière automobile à respecter plusieurs points concernant les véhicules hors d’usage (VHU) : le taux de réutilisation et de valorisation doit atteindre 95% du poids moyen par véhicule en 2015, et le taux de réutilisation et de recyclage 85 %.

Quatre technologies différentes sont exploitées : le plomb, le nickel-cadmium, le nickel métal hydrure et le lithium. Trois filières de recyclage sont maîtrisées (plomb, nickel-cadmium et nickel métal hydrure) et même rentables dans le cas du plomb.

Tableau récapitulatif des types de batteries

Type de batterie Avantages Inconvénients Applications
Plomb-acide Coût faible, capacité à débiter de forts courants Peu performant pour la propulsion électrique Démarrage des véhicules
Nickel-cadmium Excellente durée de vie, résistance aux températures extrêmes Impact environnemental, effet mémoire Applications industrielles et militaires
Lithium-ion Excellente densité énergétique, faible autodécharge Sensible aux variations de température, coût élevé Appareils portables, véhicules électriques

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