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Mars 2006

... Fonctionnent les batteries de portables ?

Les appareils photos, les ordinateurs portables, les téléphones mobiles, les baladeurs MP3... Tous ces appareils nécessitent beaucoup d'énergie pour fonctionner. D'où vient-elle ? Comment peut-on améliorer les performances des batteries ?
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Une batterie, c'et un peu une mini usine chimique : deux électrodes qui baignent dans un liquide conducteur, l'électrolyte. Le tout forme une cellule, et la batterie est constituée de milliers de cellules. Quand on branche un appareil, le circuit électrique est fermé et les ions commencent à circuler d'une électrode à l'autre, produisant de l'électricité.

Pendant le fonctionnement, l'anode s'oxyde (elle perd des électrons) tandis que la cathode "récupère" les électrons. Lors de la recharge, c'est l'inverse.

Et si on branche un chargeur aux bornes de la batterie, c'est le processus chimique inverse qui se produit : les électrons circulent alors dans l'autre sens, et la batterie se recharge. Ainsi, comme la réaction chimique est réversible, on peut alternativement vider et remplir la batterie : c'est la différence avec une pile, qui elle ne peut pas se recharger.

Toutes les batteries impliquent des couples chimiques dits oxydoréducteurs, mais on a le choix entre plusieurs matières selon les performances et l'utilisation désirée.

Un couple pas assez performant, et polluant
Les premières batteries marchaient au nickel et au cadmium. Mais elles souffraient de plusieurs inconvénients : d'abord, une autodécharge importante (la proportion de l'énergie perdue lorsque la batterie n'est pas utilisée). Une batterie au nickel perd entre 10 et 15% de sa capacité dans les premières 24 heures suivant la charge puis encore 10 à 15% par mois ensuite. De plus, il faut la décharger totalement avant de la recharger, sinon elle perd de ses performances : c'est ce qu'on appelle "l'effet mémoire". Mais surtout, le cadmium est très toxique, et l'Union européenne a imposé de trouver d'autres technologies.

Les avantages des batteries lithium-ion
Inventées par Sony dans les années 90, les batteries au lithium sont désormais les plus répandues. Elles ont une densité énergétique (capacité de la batterie à transporter l'énergie pour un poids donné) 4 fois supérieure, leur fabrication est plus facile, et elles ne souffrent pas "d'effet mémoire".

D'abord utilisé dans des électrodes métalliques, le lithium se trouve dans les batteries récentes sous forme d'ions (d'où le nom) baignant dans l'électrolyte. L'électrolyte remplacé par un film plastique imbibé d'un gel conducteur, qui présente l'avantage de s'adapter à toutes les tailles de batteries, même les plus minces.

Ses performances progressent régulièrement (5% par an), mais elles atteignent toutefois leurs limites pour des utilisations intensives. De plus, les batteries au lithium-ion perdent leur capacité au fil du temps à cause de l'oxydation des accumulateurs, un processus inexorable. Leur durée de vie est limitée à deux ou trois ans, qu'elle soit utilisée ou non.

Les batteries qui s'usent le moins sont celles à l'acide-plomb (l'autodécharge n'est que de 5% par mois), mais malheureusement, ce couple chimique a la densité d'énergie la plus faible : il n'est donc pas du tout adapté aux appareils portables. Des batteries zinc-air sont à l'étude, mais pas encore disponibles, car sujettes au court-circuit.

LES DIFFERENTS TYPES DE BATTERIES
  Cathode Anode Densité d'énergie (W/kg) Nombre de cycles (charge-décharge)
Nickel-Cadmium Nickel Cadmium 40-60 2000
Lithium-ion Cobalt et nickel - 150-200 200-300
Pile à combustible ? Platine Platine > 1000 -

Les batteries de demain
Les idées ne manquent pas pour fabriquer des batteries toujours plus performantes. Première idée : la pile à combustible. Le principe est le même que les batteries chimiques, mais en ajoutant du "carburant" en plus (hydrogène ou méthanol). En théorie, on pourrait multiplier par 25 le rendement par rapport à une pile au lithium. Mais voilà : on ne sait pas stocker l'hydrogène, quant au méthanol, c'est un composé toxique et hautement inflammable.

Et si on se passait carrément de batterie ? Certains chercheurs travaillent par exemple sur des micro-turbines (un rotor qui fait tourner un aimant à côté d'une bobine, produisant du courant par induction). Grâce à la miniaturisation, le système tient sur la taille d'une pièce de monnaie ! Enfin, la thermoélectricité constitue une autre solution intéressante. Deux matériaux soudés ensembles et soumis à des températures différentes produisent de l'électricité. L'horloger Seiko a récemment proposé une montre marchant grâce à la différence de température entre le corps et l'air extérieur. Reste à trouver des matériaux suffisamment efficaces pour produire assez d'énergie.

Et aussi :
Comment fonctionne un téléphone portable ? | Autonomie : les batteries

 
 Céline Deluzarche, L'Internaute
 
Magazine Science
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