Comment amorcer les piles

À bien des égards, une pile se comporte comme un être humain. Elle perçoit la gentillesse qui lui est témoignée et lui rend la pareille. C'est comme si la pile avait des sentiments et qu'elle répondait à la bienveillance qui lui est accordée. Mais il y a des exceptions, comme le savent tous les parents qui élèvent une famille, et la générosité accordée ne donne pas toujours les résultats escomptés.

Pour devenir un bon gardien, vous devez comprendre les besoins fondamentaux d'une batterie, un sujet qui n'est pas enseigné à l'école. Ce chapitre explique ce qu'il faut faire lorsque la batterie est neuve, comment lui donner la bonne "nourriture" et ce qu'il faut faire lorsque l'on met la batterie de côté pour un certain temps. Le chapitre 7 aborde également les restrictions applicables aux voyages aériens avec des piles et la manière de s'en débarrasser une fois leur durée de vie écoulée.

Tout comme l'espérance de vie d'une personne ne peut être prédite à la naissance, il n'est pas possible de dater une batterie. Certains blocs vivent très vieux, tandis que d'autres meurent jeunes. Une charge incorrecte, des charges de décharge importantes et l'exposition à la chaleur sont les pires ennemis de la batterie. Bien qu'il existe des moyens de protéger une batterie, la situation idéale n'est pas toujours réalisable. Ce chapitre explique comment tirer le meilleur parti de nos batteries.

Amorçage d'une nouvelle batterie
Toutes les batteries rechargeables ne fournissent pas la capacité nominale lorsqu'elles sont neuves, et elles doivent être formatées. Bien que cela s'applique à la plupart des systèmes de batteries, les fabricants de batteries lithium-ion ne sont pas d'accord. Ils affirment que les batteries Li-ion sont prêtes à la naissance et n'ont pas besoin d'être amorcées. Bien que cela puisse être vrai, des utilisateurs ont signalé des gains de capacité en effectuant des cycles après un long stockage.

"Quelle est la différence entre le formatage et l'amorçage ? Les deux concernent des capacités qui ne sont pas optimisées et qui peuvent être améliorées par le cyclage. Le formatage complète le processus de fabrication qui se produit naturellement pendant l'utilisation lorsque la batterie est cyclée. Un exemple typique est celui des piles à base de plomb et de nickel qui s'améliorent avec l'usage jusqu'à ce qu'elles soient complètement formatées. L'amorçage, quant à lui, est un cycle de conditionnement qui est appliqué en tant que service pour améliorer les performances de la batterie pendant l'utilisation ou après un stockage prolongé. L'amorçage concerne principalement les piles à base de nickel.

Acide de plomb
Le formatage d'une batterie au plomb s'effectue en appliquant une charge, suivie d'une décharge et d'une recharge. Cette opération est effectuée à l'usine et est complétée sur le terrain dans le cadre d'une utilisation régulière. Les experts conseillent de ne pas solliciter une nouvelle batterie en lui appliquant d'emblée des décharges importantes, mais de l'habituer progressivement à des décharges modérées, comme un athlète s'entraîne à soulever des poids ou à courir sur de longues distances. Toutefois, cela n'est pas toujours possible pour une batterie de démarrage dans un véhicule ou pour d'autres utilisations. L'acide de plomb atteint généralement sa pleine capacité potentielle après 50 à 100 cycles. La figure 1 illustre la durée de vie d'une batterie au plomb.

Durée de vie de l'acide plombique

Figure 1 : Durée de vie du plomb acide
Une batterie plomb-acide neuve peut ne pas être complètement formatée et n'atteint sa pleine performance qu'après 50 cycles ou plus. Le formatage a lieu pendant l'utilisation ; il n'est pas recommandé d'effectuer des cycles délibérés, car cela userait inutilement la batterie.

Les batteries à décharge profonde atteignent environ 85 % lorsqu'elles sont neuves et passent à 100 %, ou presque, lorsqu'elles sont entièrement formatées. Certaines batteries aberrantes ne dépassent pas 65 % lorsqu'elles sont testées à l'aide d'un analyseur de batterie. La question qui se pose est la suivante : "Ces piles peu performantes se rétabliront-elles et résisteront-elles à leurs consœurs plus puissantes une fois formatées ? Un expert en piles chevronné a déclaré que "ces piles s'amélioreront quelque peu, mais qu'elles seront les premières à échouer".

La fonction d'une batterie de démarrage est de fournir des courants de charge élevés pour faire démarrer le moteur, et cet attribut est présent dès le début sans qu'il soit nécessaire de formater et d'amorcer. À la surprise de nombreux automobilistes, la capacité d'une batterie de démarrage peut s'affaiblir jusqu'à 30 % et continuer à faire tourner le moteur ; cependant, une baisse supplémentaire peut conduire le conducteur à rester bloqué un matin. Voir aussi BU-904 : Comment mesurer la capacité)

A base de nickel
Les fabricants conseillent de charger une batterie à base de nickel pendant 16 à 24 heures lorsqu'elle est neuve et après un long stockage. Cela permet aux cellules de s'adapter les unes aux autres et de les amener à un niveau de charge égal. Une charge lente permet également de redistribuer l'électrolyte afin d'éliminer les points secs sur le séparateur qui auraient pu se développer par gravitation.

Les piles à base de nickel ne sont pas toujours complètement formatées lorsqu'elles quittent l'usine. L'application de plusieurs cycles de charge/décharge dans le cadre d'une utilisation normale ou à l'aide d'un analyseur de batterie complète le processus de formatage. Le nombre de cycles nécessaires pour atteindre la pleine capacité varie selon les fabricants de piles. Les cellules de qualité répondent aux spécifications après 5 à 7 cycles, tandis que les alternatives moins coûteuses peuvent nécessiter 50 cycles ou plus pour atteindre des niveaux de capacité acceptables.

L'absence de formatage pose un problème lorsque l'utilisateur s'attend à ce qu'une nouvelle batterie fonctionne à pleine capacité dès sa sortie de l'emballage. Les organisations qui utilisent des batteries pour des applications critiques doivent vérifier les performances par un cycle de décharge/charge dans le cadre du contrôle de la qualité. Le programme "prime" des analyseurs de batterie automatisés (Cadex) applique autant de cycles que nécessaire pour atteindre la pleine capacité.

Le cyclage permet également de restaurer la capacité perdue lorsqu'une batterie à base de nickel a été stockée pendant quelques mois. La durée de stockage, l'état de charge et la température à laquelle la batterie est stockée déterminent la facilité de récupération. Plus le stockage est long et plus la température est élevée, plus il faudra de cycles pour retrouver la pleine capacité. Les analyseurs de batterie contribuent aux fonctions d'amorçage et garantissent que la capacité souhaitée a été atteinte.

Lithium-ion
Certains utilisateurs de batteries insistent sur le fait qu'une couche de passivation se développe sur la cathode d'une cellule lithium-ion après stockage. Également connue sous le nom de film protecteur interfacial (IPF), cette couche est censée restreindre le flux d'ions, provoquer une augmentation de la résistance interne et, dans le pire des cas, conduire à un placage de lithium. Le chargement, et plus efficacement le cyclage, est connu pour dissoudre la couche et certains utilisateurs de batteries affirment avoir gagné en autonomie après le deuxième ou le troisième cycle sur un smartphone, même si ce n'est que dans une faible mesure.

Les scientifiques ne comprennent pas entièrement la nature de cette couche, et les quelques ressources publiées sur ce sujet ne font que supposer que la restauration des performances avec le cyclisme est liée à l'élimination de la couche de passivation. Certains scientifiques nient carrément l'existence de l'IPF, affirmant que l'idée est hautement spéculative et incompatible avec les études existantes. Quelle que soit l'issue de la passivation du Li-ion, il n'y a pas de parallèle avec l'effet "mémoire" des piles NiCd qui nécessitent des cycles périodiques pour éviter la perte de capacité. Les symptômes peuvent sembler similaires, mais les mécanismes sont différents. L'effet ne peut pas non plus être comparé à la sulfatation des batteries au plomb.

Une couche bien connue qui se forme sur l'anode est l'interface électrolyte solide (SEI). L'interface électrolyte solide est un isolant électrique mais possède une conductivité ionique suffisante pour permettre à la batterie de fonctionner normalement. Si la couche SEI réduit la capacité, elle protège également la batterie. Sans SEI, la batterie Li-ion pourrait ne pas avoir la longévité qu'elle a. (Voir BU-307 : Comment fonctionne l'électrolyte ?)

La couche SEI se développe dans le cadre d'un processus de formation et les fabricants prennent grand soin de le faire correctement, car un travail par lots peut entraîner une perte permanente de capacité et une augmentation de la résistance interne. Le processus comprend plusieurs cycles, des charges flottantes à des températures élevées et des périodes de repos qui peuvent durer plusieurs semaines. Cette période de formation permet également un contrôle de la qualité et facilite l'appariement des cellules, ainsi que l'observation de l'autodécharge en mesurant la tension de la cellule après une période de repos. Une autodécharge élevée indique la présence d'impuretés dans le cadre d'un défaut de fabrication potentiel.

L'oxydation de l'électrolyte (EO) se produit également sur la cathode. Elle entraîne une perte de capacité permanente et augmente la résistance interne. Il n'existe aucun remède pour éliminer la couche une fois formée, mais les additifs d'électrolyte en atténuent l'impact. Le maintien des batteries Li-ion à une tension supérieure à 4,10 V/cellule et à une température élevée favorise l'oxydation de l'électrolyte. Les observations sur le terrain montrent que la combinaison de la chaleur et de la haute tension peut stresser les Li-ion plus que les cycles difficiles.

Le lithium-ion est un système très propre qui ne nécessite pas d'amorçage supplémentaire une fois qu'il a quitté l'usine, ni le niveau d'entretien des piles à base de nickel. Un formatage supplémentaire fait peu de différence car la capacité maximale est disponible dès le départ (à l'exception d'un léger gain de capacité après un long stockage). Une décharge complète n'améliore pas la capacité une fois que la pile s'est affaiblie - une faible capacité signale la fin de la vie. Une décharge/charge peut calibrer une batterie "intelligente", mais cela n'améliore guère la batterie chimique. (Voir BU-601 : Fonctionnement interne d'une batterie intelligente) Les instructions recommandant de charger une nouvelle batterie Li-ion pendant 8 heures sont qualifiées de "vieille école", un reliquat de l'époque des batteries au nickel.

Lithium non rechargeable
Les piles primaires au lithium, telles que le chlorure de lithium-thionyle (LTC), bénéficient d'une passivation lors de leur stockage. La passivation est une fine couche qui se forme dans le cadre d'une réaction entre l'électrolyte, l'anode de lithium et la cathode à base de carbone. (Il convient de noter que l'anode d'une batterie au lithium primaire est constituée de lithium et que la cathode est constituée de graphite, ce qui est l'inverse du Li-ion).

Sans cette couche, la plupart des piles au lithium ne pourraient pas fonctionner car le lithium provoquerait une autodécharge rapide et dégraderait rapidement la pile. Les scientifiques spécialistes des batteries affirment même que la batterie exploserait sans la formation de couches de chlorure de lithium et que la couche de passivation est responsable de l'existence de la batterie et de sa capacité à se stocker pendant 10 ans.

La température et l'état de charge favorisent la formation de la couche de passivation. Un LTC entièrement chargé est plus difficile à dépassiviser après un long stockage qu'un LTC faiblement chargé. Bien que les LTC doivent être stockés à des températures fraîches, la dépassivation fonctionne mieux lorsqu'ils sont chauds, car la conductivité thermique et la mobilité accrues des ions facilitent le processus.

ATTENTION Ne pas soumettre la batterie à une tension physique ou à une chaleur excessive. Des explosions dues à une manipulation imprudente ont causé des blessures graves à des travailleurs...
La couche de passivation entraîne un retard de tension lors de la première application d'une charge à la batterie, et la figure 2 illustre la chute et la récupération avec des batteries affectées par différents niveaux de passivation. La batterie A présente une chute de tension minimale, tandis que la batterie C a besoin de temps pour se rétablir.

Figure 2 : Comportement de la tension lors de l'application d'une charge à une batterie passivée [1].
La batterie A présente une passivation légère, la B prend plus de temps à se restaurer et la C est la plus affectée.
Dans les dispositifs à très faible courant, tels que les capteurs de péage routier ou les compteurs, le LTC peut développer une couche de passivation susceptible d'entraîner un dysfonctionnement, et la chaleur favorise cette croissance. Ce problème peut souvent être résolu en ajoutant un grand condensateur en parallèle avec la batterie. La batterie qui a développé une résistance interne élevée est encore capable de charger le condensateur pour délivrer les impulsions élevées occasionnelles ; le temps d'attente entre les deux est consacré à la recharge du condensateur.

Pour aider à prévenir la sulfatation pendant le stockage, certaines piles au lithium sont livrées avec une résistance de 36kΩ qui sert de charge parasite. Le faible courant de décharge empêche la couche de devenir trop épaisse, mais cela réduit la durée de stockage. Après deux ans de stockage avec la résistance de 36kΩ, les piles auraient encore une capacité de 90 %. Une autre solution consiste à fixer un dispositif qui applique des impulsions de décharge périodiques pendant le stockage.

Toutes les piles au lithium primaire ne se rétablissent pas lorsqu'elles sont installées dans un appareil et qu'une charge est appliquée. Le courant peut être trop faible pour inverser la passivation. Il est également possible que l'équipement rejette une batterie passivée en raison de son faible état de charge ou de sa défectuosité. Beaucoup de ces batteries peuvent être préparées avec un analyseur de batterie (Cadex) en appliquant une charge contrôlée. L'analyseur vérifie alors le bon fonctionnement avant d'engager la batterie sur le terrain.

Le courant de décharge requis pour la dépassivation est un taux C de 1C à 3C (1 à 3 fois la capacité nominale). La tension de la cellule doit revenir à 3,2 V lors de l'application de la charge ; le temps de service est généralement de 20 secondes. Le processus peut être répété, mais il ne doit pas durer plus de 5 minutes. Avec une charge de 1C, la tension d'une cellule fonctionnant correctement doit rester supérieure à 3,0V. Une chute en dessous de 2,7V signifie la fin de vie de la pile. (Voir BU-106 : Batteries primaires)

Ces piles au lithium-métal ont une teneur élevée en lithium et doivent respecter des exigences d'expédition plus strictes que les piles Li-ion de même Ah. (Voir BU-704a : Expédition de piles au lithium par voie aérienne) En raison de l'énergie spécifique élevée, il convient de prendre des précautions particulières lors de la manipulation de ces piles.