Comment fonctionne la batterie plomb-acide ?
Inventé par le médecin français Gaston Planté en 1859, l'acide de plomb a été la première batterie rechargeable à usage commercial. Malgré son âge avancé, la chimie du plomb continue d'être largement utilisée aujourd'hui. Il y a de bonnes raisons à cette popularité : l'acide de plomb est fiable et peu coûteux sur la base du coût par watt. Il y a peu d'autres batteries qui fournissent de l'énergie en vrac à un prix aussi bas que l'acide de plomb, ce qui rend la batterie rentable pour les automobiles, les voitures de golf, les chariots élévateurs, la marine et les systèmes d'alimentation sans interruption (UPS).
La structure de la grille de la batterie plomb-acide est constituée d'un alliage de plomb. Le plomb pur est trop mou et ne se maintiendrait pas, c'est pourquoi de petites quantités d'autres métaux sont ajoutées afin d'obtenir une résistance mécanique et d'améliorer les propriétés électriques. Les additifs les plus courants sont l'antimoine, le calcium, l'étain et le sélénium. Ces piles sont souvent appelées "plomb-antimoine" et "plomb-calcium".
L'ajout d'antimoine et d'étain améliore les cycles profonds, mais il augmente la consommation d'eau et accroît la nécessité d'égaliser. Le calcium réduit l'autodécharge, mais la plaque positive plomb-calcium a pour effet secondaire de grossir en raison de l'oxydation de la grille lorsqu'elle est surchargée. Les batteries plomb-acide modernes utilisent également des agents dopants tels que le sélénium, le cadmium, l'étain et l'arsenic pour réduire la teneur en antimoine et en calcium.
L'acide plombique est lourd et moins durable que les systèmes à base de nickel et de lithium lorsqu'il est soumis à un cycle profond. Une décharge complète provoque une tension et chaque cycle de décharge/charge prive en permanence la batterie d'une petite partie de sa capacité. Cette perte est faible tant que la batterie est en bon état de fonctionnement, mais l'affaiblissement s'accentue dès que les performances tombent à la moitié de la capacité nominale. Cette caractéristique d'usure s'applique à toutes les batteries à des degrés divers.
En fonction de la profondeur de décharge, l'acide de plomb pour les applications à décharge profonde permet 200 à 300 cycles de décharge/charge. Les principales raisons de sa durée de vie relativement courte sont la corrosion de la grille de l'électrode positive, l'épuisement de la matière active et la dilatation des plaques positives. Ce phénomène de vieillissement est accéléré à des températures de fonctionnement élevées et lors de courants de décharge importants. (Voir BU-804:Comment prolonger la durée de vie des batteries plomb-acide)
Charger une batterie plomb-acide est simple, mais il faut respecter les limites de tension correctes. Le choix d'une limite de tension basse met la batterie à l'abri, mais cela produit des performances médiocres et provoque une accumulation de sulfate sur la plaque négative. Une limite de tension élevée améliore les performances mais forme une corrosion en grille sur la plaque positive. Alors que la sulfatation peut être inversée si l'entretien est effectué à temps, la corrosion est permanente. (Voir BU-403 : Chargement des batteries plomb-acide)
L'acide plombique ne se prête pas à une charge rapide et, pour la plupart des types, une charge complète prend de 14 à 16 heures. La batterie doit toujours être stockée à l'état de charge maximale. Une faible charge entraîne la sulfatation, une condition qui prive la batterie de ses performances. L'ajout de carbone sur l'électrode négative réduit ce problème mais diminue l'énergie spécifique. (Voir BU-202 : Nouveaux systèmes plomb-acide)
L'acide de plomb a une durée de vie modérée, mais il n'est pas sujet à la mémoire comme le sont les systèmes à base de nickel, et la rétention de la charge est la meilleure parmi les batteries rechargeables. Alors que les batteries NiCd perdent environ 40 % de l'énergie stockée en trois mois, les batteries plomb-acide se déchargent d'elles-mêmes dans la même proportion en un an. La batterie plomb-acide fonctionne bien à des températures froides et est supérieure à la batterie lithium-ion lorsqu'elle fonctionne dans des conditions inférieures à zéro. Selon RWTH, Aachen, Allemagne (2018), le coût de l'acide de plomb inondé est d'environ $150 par kWh, l'un des plus bas parmi les batteries.
Plomb-acide scellé
La première batterie au plomb étanche, ou sans entretien, est apparue au milieu des années 1970. Les ingénieurs ont fait valoir que le terme "plomb-acide scellé" était une erreur d'appellation, car aucune batterie au plomb-acide ne peut être totalement scellée. Pour contrôler l'évacuation des gaz lors d'une charge intense et d'une décharge rapide, des soupapes ont été ajoutées pour libérer les gaz en cas d'accumulation de pression. Plutôt que d'immerger les plaques dans un liquide, l'électrolyte est imprégné dans un séparateur humidifié, une conception qui ressemble aux systèmes à base de nickel et de lithium. Cela permet de faire fonctionner la batterie dans n'importe quelle orientation physique sans qu'il y ait de fuite.
La batterie scellée contient moins d'électrolyte que la batterie noyée, d'où le terme "sans acide". L'avantage le plus important de l'acide de plomb scellé est peut-être sa capacité à combiner l'oxygène et l'hydrogène pour créer de l'eau et empêcher le dessèchement pendant le cyclage. La recombinaison se produit à une pression modérée de 0,14 bar (2psi). La soupape sert d'évent de sécurité si l'accumulation de gaz augmente. Les purges répétées doivent être évitées, car elles conduisent à un assèchement éventuel. Selon RWTH, Aachen, Allemagne (2018), le coût du VRLA est d'environ $260 par kWh.
Plusieurs types d'accumulateurs au plomb scellés ont vu le jour et les plus courants sont les accumulateurs au gel, également connus sous le nom d'accumulateurs au plomb à valve (VRLA), et les accumulateurs à matelas de verre absorbant (AGM). La pile au gel contient un gel de type silice qui suspend l'électrolyte dans une pâte. Les batteries plus petites, d'une capacité maximale de 30 Ah, sont souvent appelées SLA (sealed lead acid). Emballées dans un conteneur en plastique, ces batteries sont utilisées pour les petits onduleurs, l'éclairage d'urgence et les fauteuils roulants. En raison de son prix peu élevé, de sa fiabilité et de sa faible maintenance, la SLA reste le choix privilégié pour les soins de santé dans les hôpitaux et les maisons de retraite. La batterie VRLA, plus volumineuse, est utilisée comme source d'alimentation de secours pour les tours de relais cellulaires, les centres Internet, les banques, les hôpitaux, les aéroports et bien plus encore.
L'AGM suspend l'électrolyte dans un mat de verre spécialement conçu. Elle offre plusieurs avantages par rapport aux systèmes au plomb, notamment une charge plus rapide et des courants de charge élevés instantanés sur demande. L'AGM fonctionne mieux comme batterie de milieu de gamme avec des capacités de 30 à 100 Ah et convient moins aux grands systèmes, tels que les onduleurs. Les utilisations typiques sont les batteries de démarrage pour les motos, la fonction démarrage-arrêt pour les voitures micro-hybrides, ainsi que la marine et les véhicules de loisirs qui ont besoin d'un certain nombre de cycles.
Avec les cycles et l'âge, la capacité de l'AGM diminue progressivement ; le gel, quant à lui, a une courbe de performance en forme de dôme et reste plus longtemps dans la plage de haute performance, puis chute brusquement vers la fin de sa durée de vie. L'AGM est plus cher que les batteries à électrolyte liquide, mais moins cher que le gel. (Le gel serait trop cher pour une utilisation avec démarrage/arrêt dans les voitures).
Contrairement à la batterie inondée, la batterie plomb-acide scellée est conçue avec un faible potentiel de surtension pour empêcher la batterie d'atteindre son potentiel de génération de gaz pendant la charge. Une charge excessive provoque un dégagement gazeux, un dégazage et, par la suite, un épuisement de l'eau et un assèchement. Par conséquent, les batteries au gel, et en partie aussi les batteries AGM, ne peuvent pas être chargées à leur plein potentiel et la limite de tension de charge doit être fixée à un niveau inférieur à celui d'une batterie inondée. Ceci s'applique également à la charge flottante en pleine charge. En ce qui concerne la charge, le gel et l'AGM ne remplacent pas directement les batteries à électrolyte liquide. S'il n'existe pas de chargeur spécifique pour l'AGM avec des réglages de tension inférieurs, déconnectez le chargeur après 24 heures de charge. Cela permet d'éviter le dégagement de gaz dû à une tension de flottaison trop élevée. (Voir BU-403 : Chargement des batteries plomb-acide)
La température de fonctionnement optimale d'une batterie VRLA est de 25°C (77°F) ; chaque augmentation de 8°C (15°F) au-dessus de ce seuil de température réduit de moitié la durée de vie de la batterie. (Voir BU-806a : Comment la chaleur et la charge affectent la durée de vie de la batterie) Les batteries au plomb sont évaluées pour un taux de décharge de 5 heures (0,2C) et de 20 heures (0,05C). La batterie est plus performante lorsqu'elle est déchargée lentement ; les relevés de capacité sont nettement plus élevés lors d'une décharge lente qu'au taux de 1C. L'acide de plomb peut cependant délivrer des courants d'impulsion élevés de plusieurs C pendant seulement quelques secondes. L'acide de plomb convient donc parfaitement comme batterie de démarrage, également connue sous le nom de "starter-light-ignition" (SLI). La teneur élevée en plomb et l'acide sulfurique font que l'acide de plomb n'est pas respectueux de l'environnement.
Les batteries au plomb sont généralement classées en trois catégories : Automobile (démarreur ou SLI), énergie motrice (traction ou cycle profond) et stationnaire (UPS).
Batteries de démarrage
La batterie de démarrage est conçue pour faire tourner un moteur avec une charge momentanée de forte puissance pendant une seconde environ. Pour sa taille, la batterie est capable de fournir un courant élevé, mais elle ne peut pas faire l'objet d'une décharge profonde. Les batteries de démarrage sont notées en Ah ou RS (capacité de réserve) pour indiquer la capacité de stockage de l'énergie, ainsi qu'en CCA (cold cranking amps) pour indiquer le courant qu'une batterie peut délivrer à froid. La norme SAE J537 spécifie 30 secondes de décharge à -18°C (0°F) à l'ampère CCA nominal sans que la tension de la batterie ne descende en dessous de 7,2 volts. RC reflète l'autonomie en minutes à une décharge constante de 25 (SAE signifie Society of Automotive Engineers). Voir aussi BU-902a : Comment mesurer l'ampère CCA.
Les batteries de démarrage ont une résistance interne très faible, obtenue par l'ajout de plaques supplémentaires pour une surface maximale (figure 1). Les plaques sont minces et le plomb est appliqué sous forme d'éponge qui a l'apparence d'une fine mousse, ce qui augmente encore la surface. L'épaisseur des plaques, qui est importante pour une batterie à décharge profonde, l'est moins car la décharge est courte et la batterie est rechargée pendant la conduite ; l'accent est mis sur la puissance plutôt que sur la capacité.
Batterie de démarrage

Figure 1 : Batterie de démarrage.
La batterie de démarrage comporte de nombreuses plaques minces en parallèle afin d'obtenir une faible résistance avec une surface élevée.
La batterie de démarrage ne permet pas d'effectuer des cycles profonds. Avec l'aimable autorisation de Cadex
Batterie à décharge profonde
La batterie à décharge profonde est conçue pour fournir une alimentation continue aux fauteuils roulants, aux voitures de golf, aux chariots élévateurs, etc. Cette batterie est conçue pour une capacité maximale et un nombre de cycles raisonnablement élevé. Pour ce faire, les plaques de plomb sont épaisses (figure 2). Bien que la batterie soit conçue pour le cyclage, les décharges complètes induisent toujours un stress et le nombre de cycles est lié à la profondeur de décharge (DoD). Les batteries à décharge profonde sont indiquées en Ah ou en minutes d'autonomie. La capacité est généralement évaluée pour une décharge de 5 heures et de 20 heures.
Batterie à décharge profonde

Figure 2 : Batterie à décharge profonde.
La batterie à décharge profonde a des plaques épaisses pour améliorer les capacités de cyclage.
La batterie à décharge profonde permet généralement environ 300 cycles. Avec l'aimable autorisation de Cadex
Une batterie de démarrage ne peut pas être remplacée par une batterie à décharge profonde et vice versa. Bien qu'une personne âgée inventive puisse être tentée d'installer une batterie de démarrage au lieu d'une batterie à décharge profonde plus coûteuse sur son fauteuil roulant pour économiser de l'argent, la batterie de démarrage ne durerait pas parce que les plaques minces en forme d'éponge se dissoudraient rapidement en cas de cycles profonds répétés.
Il existe des batteries combinées de démarrage et à décharge profonde pour les camions, les autobus, les véhicules de sécurité publique et les véhicules militaires, mais ces unités sont grandes et lourdes. En règle générale, plus la batterie est lourde, plus elle contient de plomb et plus sa durée de vie est longue. Le tableau 3 compare la durée de vie typique des batteries de démarrage et des batteries à décharge profonde lorsqu'elles sont soumises à un cycle profond.
Une décharge de 100% correspond à une décharge complète ; 50% correspond à la moitié et 30% à une décharge modérée avec 70% restantes.
Plomb-acide ou Li-ion dans votre voiture ?
Depuis que Cadillac a introduit le moteur de démarrage en 1912, les batteries au plomb ont fait leurs preuves. Thomas Edison a tenté de remplacer l'acide de plomb par le nickel-fer (NiFe), mais l'acide de plomb a prévalu en raison de sa nature robuste et indulgente, ainsi que de son faible coût. Aujourd'hui, l'acide de plomb utilisé comme batterie de démarrage dans les véhicules est remis en question par le Li-ion.
La figure 4 illustre les caractéristiques du plomb-acide et du Li-ion. Les deux chimies ont des performances similaires en matière de démarrage à froid. L'acide au plomb est légèrement meilleur en W/kg, mais le Li-ion offre de grandes améliorations en termes de durée de vie, une meilleure énergie spécifique en Wh/kg et une bonne acceptation de la charge dynamique. L'inconvénient du Li-ion est son coût élevé par kWh, son recyclage complexe et son bilan de sécurité moins brillant que celui de l'acide au plomb.
Figure 4 : Comparaison des batteries de démarrage plomb-acide et Li-ion.
L'acide de plomb conserve une place prépondérante dans les batteries de démarrage. Le mérite en revient aux bonnes performances à basse température, au faible coût, aux bons résultats en matière de sécurité et à la facilité de recyclage[1].
Le plomb est toxique et les écologistes aimeraient remplacer la batterie plomb-acide par une chimie alternative. L'Europe a réussi à exclure le NiCd des produits de consommation, et des efforts similaires sont déployés pour la batterie de démarrage. Les choix sont NiMH et Li-ion, mais le prix est trop élevé et les performances à basse température sont médiocres. Avec un taux de recyclage de 99 %, la batterie plomb-acide présente peu de risques pour l'environnement et restera probablement la batterie de choix.