Différents types de batteries et leurs applications

Une batterie est un ensemble d'une ou plusieurs cellules qui subissent des réactions chimiques pour créer le flux d'électrons dans un circuit. Il y a beaucoup de recherche et de progrès en cours dans la technologie des batteries, et par conséquent, des technologies de pointe sont actuellement expérimentées et utilisées dans le monde entier. Les batteries sont entrées en jeu en raison de la nécessité de stocker l'énergie électrique générée. Même si une bonne quantité d'énergie était générée, il était important de stocker l'énergie afin qu'elle puisse être utilisée lorsque la production est en panne ou lorsqu'il est nécessaire d'alimenter des appareils autonomes qui ne peuvent pas être maintenus attachés à l'alimentation par le secteur. Ici, il convient de noter que seul le courant continu peut être stocké dans les batteries, le courant alternatif ne peut pas être stocké.

Les cellules de batterie sont généralement constituées de trois composants principaux;

L'anode (électrode négative)
La cathode (électrode positive)
Les électrolytes

L'anode est une électrode négative qui produit des électrons vers le circuit externe auquel la batterie est connectée. Lorsque les batteries sont connectées, une accumulation d'électrons est initiée à l'anode, ce qui provoque une différence de potentiel entre les deux électrodes. Les électrons essaient alors naturellement de se redistribuer, cela est empêché par l'électrolyte, donc lorsqu'un circuit électrique est connecté, il fournit un chemin clair pour que les électrons se déplacent de l'anode à la cathode, alimentant ainsi le circuit auquel il est connecté. En modifiant la disposition et le matériau utilisés pour construire l'anode, la cathode et l'électrolyte, nous pouvons obtenir de nombreux types de chimies de batterie, ce qui nous permet de concevoir différents types de cellules de batterie. Dans cet article permet de comprendre les différents types de batteries et leurs utilisations, Alors, commençons.

Types de piles

Les batteries peuvent généralement être classées en différentes catégories et types, allant de la composition chimique, la taille, le facteur de forme et les cas d'utilisation, mais dans tous ces types de batteries se trouvent deux principaux types de batteries;

Batteries primaires
Batteries secondaires

Examinons de plus près les principales différences entre une cellule Primacy et une cellule secondaire.

1. Batteries primaires

Les batteries primaires sont des batteries qui ne peuvent pas être rechargées une fois épuisées. Les batteries primaires sont constituées de cellules électrochimiques dont la réaction électrochimique ne peut pas être inversée.

Les piles primaires existent sous différentes formes allant des piles bouton aux piles AA. Ils sont couramment utilisés dans les applications autonomes où la charge est peu pratique ou impossible. Les appareils de qualité militaire et les équipements alimentés par batterie en sont un bon exemple. Il ne sera pas pratique d'utiliser des batteries rechargeables car recharger une batterie sera la dernière chose dans l'esprit des soldats. Les batteries primaires ont toujours une énergie spécifique élevée et les systèmes dans lesquels elles sont utilisées sont toujours conçues pour consommer une faible quantité d'énergie pour permettre à la batterie de durer le plus longtemps possible.

Quelques autres exemples d'appareils utilisant des batteries primaires comprennent; Les fabricants de rythme, les traqueurs d'animaux, les montres-bracelets, les télécommandes et les jouets pour enfants pour n'en citer que quelques-uns.

Les piles primaires les plus courantes sont les piles alcalines. Ils ont une énergie spécifique élevée et sont respectueux de l'environnement, rentables et ne fuient pas même lorsqu'ils sont complètement déchargés. Ils peuvent être stockés pendant plusieurs années, ont un bon dossier de sécurité et peuvent être transportés à bord d'un avion sans être soumis aux règlements de transport de l'ONU et à d'autres réglementations. Le seul inconvénient des piles alcalines est le faible courant de charge, qui limite son utilisation aux appareils à faible intensité de courant comme les télécommandes, les lampes de poche et les appareils de divertissement portables.

2. Batteries secondaires

Les batteries secondaires sont des batteries à cellules électrochimiques dont les réactions chimiques peuvent être inversées en appliquant une certaine tension à la batterie dans le sens inverse. Aussi appelées batteries rechargeables, les cellules secondaires, contrairement aux cellules primaires, peuvent être rechargées une fois que l'énergie de la batterie a été épuisée.

Ils sont généralement utilisés dans les applications à forte consommation et dans d'autres scénarios où il sera soit trop coûteux, soit impossible d'utiliser des batteries à charge unique. Des batteries secondaires de petite capacité sont utilisées pour alimenter des appareils électroniques portables comme les téléphones mobiles et d'autres gadgets et appareils, tandis que des batteries robustes sont utilisées pour alimenter divers véhicules électriques et d'autres applications à forte consommation comme le nivellement de la charge dans la production d'électricité. Ils sont également utilisés comme sources d'alimentation autonomes aux côtés des onduleurs pour fournir de l'électricité. Bien que le coût initial d'acquisition des batteries rechargeables soit toujours beaucoup plus élevé que celui des batteries primaires, elles sont les plus rentables sur le long terme.

Les batteries secondaires peuvent être classées en plusieurs autres types en fonction de leur chimie . Ceci est très important car la chimie détermine certains des attributs de la batterie, notamment son énergie spécifique, sa durée de vie, sa durée de conservation et son prix, pour n'en citer que quelques-uns.

Voici les différents types de piles rechargeables couramment utilisées.

Lithium-ion (Li-ion)
Nickel Cadmium (Ni-Cd)
Hydrure de nickel-métal (Ni-MH)
Plomb-acide

1. Batteries au nickel-cadmium

La batterie nickel-cadmium (batterie NiCd ou batterie NiCad) est un type de batterie rechargeable qui est développé en utilisant de l'hydroxyde d'oxyde de nickel et du cadmium métallique comme électrodes. Les batteries Ni-Cd excellent pour maintenir la tension et maintenir la charge lorsqu'elles ne sont pas utilisées. Cependant, les batteries NI-Cd sont facilement victimes du redoutable effet de «mémoire» lorsqu'une batterie partiellement chargée est rechargée, ce qui réduit la capacité future de la batterie.

En comparaison avec d'autres types de piles rechargeables, les batteries Ni-Cd offrent un bon cycle de vie et des performances à basses températures avec une capacité moyenne, mais leur avantage le plus significatif sera leur capacité à fournir leur pleine capacité nominale à des taux de décharge élevés. Ils sont disponibles en différentes tailles, y compris les tailles utilisées pour les piles alcalines, AAA à D. Les piles Ni-Cd sont utilisées individuellement ou assemblées en paquets de deux ou plusieurs piles. Les petits packs sont utilisés dans les appareils portables, l'électronique et les jouets, tandis que les plus gros trouvent une application dans les batteries de démarrage des avions, les véhicules électriques et l'alimentation de secours.

Certaines des propriétés des batteries Nickel-Cadmium sont énumérées ci-dessous.

Énergie spécifique: 40-60W-h / kg
Densité énergétique: 50-150 Wh / L
Puissance spécifique: 150 W / kg
Efficacité de charge / décharge: 70-90%
Taux d'auto-décharge: 10% / mois
Cycle de durabilité / durée de vie: 2000 cycles

2. Batteries à hydrure de nickel-métal

L'hydrure métallique de nickel (Ni-MH) est un autre type de configuration chimique utilisé pour les batteries rechargeables. La réaction chimique à l'électrode positive des batteries est similaire à celle de la cellule nickel-cadmium (NiCd), les deux types de batteries utilisant le même hydroxyde d'oxyde de nickel (NiOOH). Cependant, les électrodes négatives en nickel-hydrure métallique utilisent un alliage absorbant l'hydrogène au lieu du cadmium qui est utilisé dans les batteries NiCd

Les batteries NiMH trouvent une application dans les appareils à forte consommation en raison de leur capacité et de leur densité d'énergie élevées. Une batterie NiMH peut posséder deux à trois fois la capacité d'une batterie NiCd de même taille, et sa densité d'énergie peut se rapprocher de celle d'une batterie lithium-ion. Contrairement à la chimie NiCd, les batteries basées sur la chimie NiMH ne sont pas sensibles à l'effet «mémoire» que subissent les NiCads.

Voici quelques-unes des propriétés des batteries basées sur la chimie de l'hydrure de nickel-métal;

Énergie spécifique: 60-120h / kg
Densité énergétique: 140-300 Wh / L
Puissance spécifique: 250-1000 W / kg
Efficacité de charge / décharge: 66% - 92%
Taux d'auto-décharge: 1,3-2,9% / mois à 20 ^o C
Durabilité / durée de vie du cycle: 180-2000

3. Batteries au lithium-ion

Les batteries au lithium-ion sont l'un des types de batteries rechargeables les plus populaires. Il existe de nombreux types de batteries au lithium, mais parmi toutes les batteries lithium-ion sont les plus couramment utilisées. Vous pouvez trouver ces batteries au lithium utilisées sous différentes formes parmi les véhicules électriques et autres gadgets portables. Si vous êtes curieux d'en savoir plus sur les batteries utilisées dans les véhicules électriques, vous pouvez consulter cet article sur les batteries de véhicules électriques. On les trouve dans différents appareils portables, y compris les téléphones mobiles, les appareils intelligents et plusieurs autres appareils à batterie utilisés à la maison. Ils trouvent également des applications dans les applications aérospatiales et militaires en raison de leur nature légère.

Les batteries lithium-ion sont un type de batterie rechargeable dans laquelle les ions lithium de l'électrode négative migrent vers l'électrode positive pendant la décharge et retournent vers l'électrode négative lorsque la batterie est en cours de charge. Les batteries Li-ion utilisent un composé de lithium intercalé comme matériau d'électrode, par rapport au lithium métallique utilisé dans les batteries au lithium non rechargeables.

Les batteries lithium-ion possèdent généralement une densité d'énergie élevée, peu ou pas d'effet mémoire et une faible auto-décharge par rapport aux autres types de batteries. Leur chimie, leurs performances et leur coût varient selon les cas d'utilisation, par exemple, les batteries Li-ion utilisées dans les appareils électroniques portables sont généralement à base d'oxyde de lithium et de cobalt (LiCoO ₂) qui offre une densité d'énergie élevée et de faibles risques de sécurité lorsqu'elles sont endommagées alors que Li-ion Les batteries à base de phosphate de fer lithium qui offrent une densité d'énergie plus faible sont plus sûres en raison d'une probabilité réduite d'événements malheureux qui se produisent sont largement utilisées pour alimenter les outils électriques et les équipements médicaux. Les batteries lithium-ion offrent le meilleur rapport performances / poids, la batterie lithium-soufre offrant le ratio le plus élevé.

Certains des attributs des batteries lithium-ion sont énumérés ci-dessous;

Énergie spécifique: 100: 265W-h / kg
Densité énergétique: 250: 693 Wh / L
Puissance spécifique: 250: 340 W / kg
Pourcentage de charge / décharge: 80-90%
Durabilité du cycle: 400: 1200 cycles
Tension nominale de la cellule: NMC 3,6 / 3,85 V

4. Batteries au plomb-acide

Les batteries au plomb-acide sont une bête de somme fiable et peu coûteuse utilisée dans les applications lourdes. Ils sont généralement très volumineux et en raison de leur poids, ils sont toujours utilisés dans des applications non portables telles que le stockage d'énergie par panneaux solaires, l'allumage et l'éclairage de véhicules, l'alimentation de secours et le nivellement de la charge dans la production / distribution d'électricité. Le plomb-acide est le type de batterie rechargeable le plus ancien et toujours très pertinent et important dans le monde d'aujourd'hui. Les batteries au plomb ont des rapports énergie / volume et énergie / poids très faibles, mais elles ont un rapport puissance / poids relativement élevé et, par conséquent, peuvent fournir d'énormes courants de surtension en cas de besoin. Ces caractéristiques, parallèlement à leur faible coût, rendent ces batteries attrayantes pour une utilisation dans plusieurs applications à courant élevé telles que l'alimentation de démarreurs d'automobiles et pour le stockage dans des alimentations de secours.Vous pouvez également consulter l'article sur le fonctionnement des batteries au plomb si vous souhaitez en savoir plus sur les différents types de batteries au plomb, sa construction et ses applications.

Chacune de ces batteries a sa zone de meilleur ajustement et l'image ci-dessous est pour vous aider à choisir entre elles.

Choisir la bonne batterie pour votre application

L'un des principaux problèmes entravant les révolutions technologiques comme l'IoT est l'alimentation, la durée de vie de la batterie affecte le déploiement réussi d'appareils qui nécessitent une longue durée de vie de la batterie et même si plusieurs techniques de gestion de l'alimentation sont adoptées pour prolonger la durée de vie de la batterie, une batterie compatible doit toujours être sélectionnée pour atteindre le résultat souhaité.

Vous trouverez ci-dessous quelques facteurs à prendre en compte lors du choix du bon type de batterie pour votre projet.

1. Densité d'énergie: La densité d'énergie est la quantité totale d'énergie qui peut être stockée par unité de masse ou de volume. Cela détermine la durée pendant laquelle votre appareil reste allumé avant d'avoir besoin d'une recharge.

2. Densité de puissance: taux maximum de décharge d'énergie par unité de masse ou de volume. Faible consommation: ordinateur portable, i-pod. Haute puissance: outils électriques.

3. Sécurité: Il est important de considérer la température à laquelle l'appareil que vous construisez fonctionnera. À des températures élevées, certains composants de la batterie se décomposent et peuvent subir des réactions exothermiques. Les températures élevées réduisent généralement les performances de la plupart des batteries.

4. Durabilité du cycle de vie: La stabilité de la densité d'énergie et de la densité de puissance d'une batterie avec des cycles répétés (charge et décharge) est nécessaire pour la longue durée de vie de la batterie requise par la plupart des applications.

5. Coût: Le coût est une partie importante de toutes les décisions d'ingénierie que vous prendrez. Il est important que le coût de votre choix de batterie soit proportionnel à ses performances et n'augmente pas anormalement le coût global du projet.