Des cuisses de grenouille aux batteries : Comment fonctionne le stockage d'énergie ?
Un peu d'histoire : La découverte de l'électricité
Luigi Galvani était un médecin italien et un scientifique curieux au 18e siècle. Lors d'une expérience sur les muscles de cuisses de grenouille, il découvrit un lien entre des métaux superposés et les contractions des muscles. Lorsque Galvani toucha accidentellement les muscles avec une tige en laiton contre une grille métallique, ceux-ci se contractèrent. Il comprit que l'électricité jouait un rôle – mais ce qui se passait exactement ne fut établi que quelques années plus tard.
Le physicien italien Alessandro Volta reconnut, sur la base de la découverte de Galvani, qu'une tension électrique pouvait être générée à l'aide de deux disques métalliques différents et d'un disque de cuir imbibé d'eau salée placé entre eux. Volta empila d'abord un disque de zinc, puis un disque de cuir humide, et enfin un disque d'argent. Il répéta cette opération plusieurs fois et créa la pile voltaïque – la première batterie techniquement utilisable.
En hommage à ces découvertes scientifiques :
- L'unité physique de tension (Volt) fut nommée d'après Volta
- La combinaison des disques de zinc, d'argent et de cuir fut appelée cellule galvanique
La cellule galvanique constitue la base de toutes les cellules de batterie modernes.
Quelques notions fondamentales : Métaux nobles et non nobles
Quel est le rapport entre la combinaison d'argent, de zinc et de cuir imbibé de sel ? Pour répondre à cette question, il faut d'abord expliquer quelques notions de base.
La capacité de libérer et d'absorber des électrons des métaux est le fondement pour décrire le fonctionnement d'une batterie :
| Type de métal | Propriétés | Exemples |
|---|---|---|
| Métaux nobles | Ne rouillent pas, réagissent peu avec d'autres substances, conservent leurs électrons et peuvent en absorber d'autres | Argent, Or, Platine |
| Métaux non nobles | Très réactifs, rouillent, libèrent des électrons | Zinc, Fer, Aluminium |
Les termes essentiels de la technologie des batteries
Anode : L'électrode négative (pôle moins), constituée de matériau non noble, libère des électrons.
Cathode : L'électrode positive (pôle plus), constituée de matériau noble, absorbe des électrons.
Électrolyte : Un liquide ou un solide qui peut conduire le courant électrique à l'aide de particules chargées (ions).
Séparateur : Sépare l'anode et la cathode, mais laisse passer les ions – empêche le court-circuit.
Principe de fonctionnement en détail : Le processus de décharge
La cellule de batterie standard se compose de quatre composants :
- Anode (pôle moins)
- Cathode (pôle plus)
- Électrolyte
- Séparateur
Voici comment fonctionne la décharge :
- Libération d'électrons : L'anode non noble libère des électrons qui migrent vers la cathode par le câble
- Formation d'ions : En raison du manque d'électrons, des ions chargés positivement se forment dans l'anode
- Migration des ions : Les ions se dissolvent dans l'électrolyte et migrent à travers le séparateur vers la cathode
- Deux courants séparés :
- Courant d'électrons par le câble (utilisable !)
- Courant d'ions par l'électrolyte
- Réunification : Dans la cathode, électrons et ions sont à nouveau réunis
Le courant d'électrons est du courant continu – il circule toujours dans une seule direction et peut être utilisé pour les appareils électriques. L'énergie chimique est ainsi convertie en énergie électrique.
Le processus de charge : Tout à l'envers
Lors de la charge, le chargeur applique une tension opposée. Cela inverse l'ensemble du processus :
- La cathode « perd » ses électrons, qui migrent vers l'anode
- Des ions se détachent du matériau de la cathode
- Les ions se déplacent à travers l'électrolyte et le séparateur vers l'anode
- Dans l'anode, les ions et les électrons sont à nouveau stockés
La batterie est rechargée et prête pour le prochain cycle de décharge.
Termes techniques et unités importants
Durée de vie et cycles de charge
Un cycle de charge est le processus d'une décharge et charge complètes. Les batteries lithium-ion modernes peuvent effectuer entre 1 000 et 4 000 cycles selon leur type.
Profondeur de décharge (DoD – Depth of Discharge)
La profondeur de décharge indique à quel pourcentage la batterie a été déchargée :
- 0% DoD = Batterie complètement chargée
- 100% DoD = Batterie complètement déchargée (à éviter !)
Chaque type de batterie a une profondeur de décharge maximale recommandée. En dessous de ce seuil, la batterie est endommagée.
Taux C : Vitesse de charge et de décharge
Le taux C décrit le rapport entre la puissance de charge/décharge et la capacité :
Taux C = Puissance (kW) / Capacité (kWh)
| Taux C | Temps de charge/décharge | Signification |
|---|---|---|
| 0,25C | 4 heures | Charge ménageante |
| 0,5C | 2 heures | Standard stockage domestique |
| 1C | 1 heure | Charge rapide |
| 2C | 30 minutes | Haute performance |
Exemple : Une batterie avec 10 kW de puissance et 20 kWh de capacité a un taux C de 0,5C – elle se charge ou se décharge en 2 heures.
Densité énergétique
Le rapport entre l'énergie stockée et l'espace occupé :
- Volumétrique : Wh par litre (Wh/l)
- Gravimétrique : Wh par kilogramme (Wh/kg)
Les batteries lithium-ion avec cathodes LFP atteignent environ 200 Wh/kg – nettement plus que les batteries plomb-acide.
Effet mémoire
Ce phénomène décrit la réduction de capacité due au rechargement d'une batterie non complètement déchargée. La batterie « se souvient » du cycle de charge raccourci et ne restitue plus qu'une partie correspondante de sa capacité.
Bon à savoir : Les batteries lithium-ion modernes ne sont pratiquement pas affectées par l'effet mémoire – contrairement aux anciennes batteries nickel-cadmium.
Aperçu : Les unités les plus importantes
Pour travailler avec des batteries et des installations solaires, certaines unités et indicateurs sont particulièrement importants. Le tableau suivant résume les grandeurs essentielles :
| Unité | Nom | Signification |
|---|---|---|
| kW | Kilowatt | Puissance (travail par temps) |
| kWh | Kilowattheure | Quantité d'énergie (1 kW pendant 1 heure) |
| kWc | Kilowatt-crête | Puissance maximale d'une installation solaire |
| % (η) | Rendement | Énergie utilisable / énergie fournie |
| C | Taux C | Puissance de charge/décharge / Capacité |
| % DoD | Depth of Discharge | Profondeur de décharge |
Conclusion
À retenir: Le principe de fonctionnement de la batterie repose sur la cellule galvanique et des réactions chimiques. Avec une anode, une cathode, un séparateur et un électrolyte, les électrons et les ions sont séparés les uns des autres – créant ainsi une tension électrique utilisable. Ce qui a commencé il y a plus de 200 ans avec des cuisses de grenouille et des disques métalliques est aujourd'hui la base des smartphones, des voitures électriques et des installations solaires.
Suite : Dans l'article suivant Lithium vs. Plomb : Quelle batterie pour l'installation solaire ?, nous comparons les deux principales technologies de batteries pour les installations solaires.
La série complète « Stockage d'énergie pour installations solaires »
- Des cuisses de grenouille aux batteries : Comment fonctionne le stockage d'énergie ? – Vous êtes ici
- Lithium vs. Plomb : Quelle batterie pour l'installation solaire ? – Comparaison technologique
- Électronique de puissance : Onduleurs et convertisseurs DC-DC – Conversion du courant
- Le polyvalent : Onduleurs hybrides – Tout en un seul appareil
- AC ou DC ? Topologies de système pour installations solaires – Concepts d'installation