par Jose Alarco Et Pierre Talbot , La Conversation
Les Batteries sont si omniprésentes aujourd’hui qu’elles sont presque invisibles pour nous. Pourtant, ils sont une invention remarquable avec une longue et riche histoire, et tout aussi excitants.,
Une batterie est essentiellement un dispositif qui stocke l’énergie chimique est convertie en électricité. Fondamentalement, les batteries sont de petits réacteurs chimiques, avec la réaction produisant des électrons énergétiques, prêts à circuler à travers le dispositif externe.
Les Batteries sont avec nous depuis longtemps. En 1938, le Directeur du Musée de Bagdad a trouvé ce qui est maintenant appelé la « batterie de Bagdad » dans le sous-sol du musée. L’analyse l’a daté vers 250 av. J.-C. et d’origine mésopotamienne.,
une controverse entoure ce premier exemple de batterie, mais les utilisations suggérées incluent la galvanoplastie, le soulagement de la douleur ou un picotement religieux.
Le scientifique et inventeur américain Benjamin Franklin a utilisé pour la première fois le terme « batterie » en 1749 lorsqu’il faisait des expériences avec l’électricité en utilisant un ensemble de condensateurs liés.
la première véritable batterie a été inventée par le physicien italien Alessandro Volta en 1800. Volta a empilé des disques de cuivre (Cu) et de zinc (Zn) séparés par un chiffon imbibé d’eau salée.
Les fils connectés à chaque extrémité de la pile produisaient un courant stable continu., Chaque cellule (un ensemble d’un disque Cu et Zn et la saumure) produit 0,76 Volts (V). Un multiple de cette valeur est obtenu par le nombre de cellules empilées ensemble.
l’une des batteries les plus durables, la batterie au plomb, a été inventée en 1859 et est toujours la technologie utilisée pour démarrer la plupart des voitures à moteur à combustion interne aujourd’hui. C’est le plus ancien exemple de batterie rechargeable.,
aujourd’hui, les batteries sont disponibles dans une gamme de tailles allant des grandes tailles de mégawatts, qui stockent l’énergie des fermes solaires ou des sous-stations pour garantir un approvisionnement stable dans des villages ou des Îles entiers, jusqu’à de minuscules batteries comme celles utilisées dans les montres électroniques.
Les Batteries sont basées sur différentes chimies, qui génèrent des tensions cellulaires de base généralement comprises entre 1,0 et 3,6 V. L’empilement des cellules en série augmente la tension, tandis que leur connexion en parallèle améliore l’alimentation en courant., Ce principe est utilisé pour additionner les tensions et les courants requis, jusqu’aux tailles de mégawatts.
Il y a maintenant beaucoup d’anticipation que la technologie de la batterie est sur le point de faire un autre bond avec de nouveaux modèles en cours de développement avec une capacité suffisante pour stocker l’énergie générée par les systèmes solaires ou éoliens domestiques, puis alimenter une maison à une heure plus pratique
Lorsqu’une batterie est déchargée, la réaction chimique produit des électrons supplémentaires au fur et à mesure de la réaction., Un exemple d’une réaction qui produit des électrons est l’oxydation du fer pour produire de la rouille. Le fer réagit avec l’oxygène et donne des électrons à l’oxygène pour produire de l’oxyde de fer.
la construction standard d’une batterie consiste à utiliser deux métaux ou composés ayant des potentiels chimiques différents et à les séparer avec un isolant poreux. Le potentiel chimique est l’énergie stockée dans les atomes et les liaisons des composés, qui est ensuite transmise aux électrons en mouvement, lorsque ceux-ci sont autorisés à se déplacer à travers le dispositif externe connecté.,
un fluide conducteur tel que le sel et l’eau est utilisé pour transférer des ions solubles d’un métal à l’autre pendant la réaction et est appelé l’électrolyte.
le métal ou le composé qui perd les électrons pendant la décharge est appelé l’anode et le métal ou le composé qui accepte les électrons est appelé la cathode. Ce flux d’électrons de l’anode à la cathode via la connexion externe est ce que nous utilisons pour faire fonctionner nos appareils électroniques.,
batteries primaires vs rechargeables
lorsque la réaction qui produit le flux d’électrons ne peut pas être inversée, la batterie est appelée batterie primaire. Lorsque l’un des réactifs est consommée la batterie est à plat.
la batterie primaire la plus courante est la batterie zinc-carbone. Il a été constaté que lorsque l’électrolyte est un alcali, les batteries duraient beaucoup plus longtemps. Ce sont les piles alcalines nous achetons au supermarché.
Le défi de l’élimination avec de telles piles primaires était de trouver un moyen de les réutiliser, en rechargeant les batteries., Cela devient plus essentiel à mesure que les batteries deviennent plus grandes, et les remplacer fréquemment n’est pas commercialement viable.
l’une des premières batteries rechargeables, la batterie nickel-cadmium (NiCd), utilise également un alcali comme électrolyte. En 1989, des batteries nickel-métal hydrogène (NiMH) ont été développées et ont une durée de vie plus longue que les batteries NiCd.
ces types de batteries sont très sensibles à la surcharge et à la surchauffe pendant la charge, donc le taux de charge est contrôlé en dessous d’un taux maximum. Des contrôleurs sophistiqués peuvent accélérer la charge, sans prendre moins de quelques heures.,
dans la plupart des autres chargeurs plus simples, le processus prend généralement une nuit.
Les applications portables – telles que les téléphones portables et les ordinateurs portables – recherchent constamment une énergie stockée maximale et compacte. Bien que cela augmente le risque de décharge violente, il est gérable en utilisant des limiteurs de débit actuels dans les batteries de téléphones mobiles en raison du petit format global.
mais à mesure que des applications plus importantes de batteries sont envisagées, la sécurité en grand format et en grande quantité de cellules est devenue une considération plus importante.,
premier grand bond en avant: les batteries lithium-ion
Les nouvelles technologies exigent souvent des batteries rechargeables plus compactes, de plus grande capacité et sûres.
en 1980, le physicien américain John Goodenough a inventé un nouveau type de batterie au lithium dans lequel le lithium (Li) pourrait migrer à travers la batterie d’une électrode à l’autre sous forme D’ion Li+.,
Le Lithium est l’un des éléments les plus légers du tableau périodique et possède l’un des plus grands potentiels électrochimiques, donc cette combinaison produit certaines des tensions les plus élevées possibles dans les volumes les plus compacts et les plus légers.
C’est la base de la batterie au lithium-ion. Dans cette nouvelle batterie, le lithium est combiné avec un métal de transition – tel que le cobalt, le nickel, le manganèse ou le fer – et de l’oxygène pour former la cathode. Lors de la recharge lorsqu’une tension est appliquée, l’ion lithium chargé positivement de la cathode migre vers l’anode en graphite et devient lithium métal.,
parce que le lithium a une forte force d’entraînement électrochimique pour être oxydé s’il est autorisé, il migre vers la cathode pour redevenir un ion Li+ et abandonne son électron à l’ion cobalt. Le mouvement des électrons dans le circuit nous donne un courant que nous pouvons utiliser.
le deuxième grand bond en avant: la nanotechnologie
en fonction du métal de transition utilisé dans la batterie lithium-ion, la cellule peut avoir une capacité plus élevée mais peut être plus réactive et sensible à un phénomène connu sous le nom d’emballement thermique.,
dans le cas des batteries au lithium-oxyde de cobalt (LiCoO2) fabriquées par Sony dans les années 1990, cela a conduit à la prise de feu de nombreuses batteries de ce type. La possibilité de fabriquer des cathodes de batterie à partir de matériaux à l’échelle nanométrique et donc plus réactifs était hors de question.
Mais dans les années 1990, Goodenough a de nouveau fait un énorme bond en avant dans la technologie des batteries en introduisant une cathode lithium-ion stable à base de fer au lithium et de phosphate.
Cette cathode est thermiquement stable., Cela signifie également que les matériaux nano-échelle de phosphate de fer de lithium (LiFePO4) ou de ferrophosphate de lithium (LFP) peuvent maintenant être transformés en toute sécurité dans des cellules de grand format qui peuvent être rapidement chargées et déchargées.
de nombreuses nouvelles applications existent maintenant pour ces nouvelles cellules, des outils électriques aux véhicules hybrides et électriques. L’application la plus importante sera peut-être le stockage de l’énergie électrique domestique pour les ménages.,
voitures électriques
le leader dans la fabrication de ce nouveau format de batterie pour les véhicules est la société de véhicules électriques Tesla, qui a des plans pour la construction de « Giga-usines » pour la production de ces batteries.
La Taille de la batterie au lithium pour la Tesla Model S est impressionnante de 85 kWh.,
c’est également plus que suffisant pour les besoins domestiques des ménages, c’est pourquoi il y a eu tant de spéculations sur ce que le fondateur de Tesla, Elon Musk, se prépare à révéler cette semaine.
Une conception modulaire de batterie peut créer des formats de batterie qui sont quelque peu interchangeables et adaptés aux applications de véhicule et domestiques sans besoin de refonte ou de reconstruction.
peut-être sommes-nous sur le point d’assister au prochain changement générationnel dans la production et le stockage d’énergie, entraîné par les capacités en constante amélioration de la batterie humble.,