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LES ÉQUIPEMENTS
LES BATTERIES
SUPPORT DE COURS
COURS EXP-PR-EQ160
Révision 0.2

Exploration & Production
Équipements
Les batteries
Support de cours : EXP-PR-EQ160-FR
Dernière Révision : 10/07/2007 Page 2 de 186
LES ÉQUIPEMENTS
LES BATTERIES
SOMMAIRE
1. OBJECTIFS.....................................................................................................................8
2. GÉNÉRALITÉS................................................................................................................9
2.1. QU’EST CE QU’UNE BATTERIE ?...........................................................................9
2.1.1. Qu’ont en commun toutes les batteries ? ........................................................10
2.1.2. Qu’est-ce qui différentie les batteries les unes des autres ? ...........................10
2.1.3. Quel est notre but ?.........................................................................................11
2.2. ORIGINE ET HISTORIQUE DES BATTERIES .......................................................12
2.3. CHIMIE D’UNE PILE ÉLECTRIQUE .......................................................................14
2.3.1. Élément de batterie .........................................................................................14
2.3.2. Comment fonctionne un élément de batterie ?................................................15
2.3.3. Processus de décharge...................................................................................18
2.3.4. Recharger ou ne pas recharger.......................................................................18
2.3.5. Choix des produits chimiques actifs ................................................................19
2.4. CONCEPT DE BASE DES BATTERIES.................................................................22
2.4.1. Tension............................................................................................................22
2.4.2. Capacité ..........................................................................................................23
2.4.3. Tension et capacité .........................................................................................23
2.5. ÉLÉMENTS EN SÉRIE ET EN PARALLÈLE ..........................................................24
2.5.1. Éléments reliés en série ..................................................................................24
2.5.2. Éléments reliés en parallèle ............................................................................25
2.6. RÉSISTANCE INTERNE D’UNE BATTERIE ..........................................................28
2.7. ÉLECTROLYTE ......................................................................................................30
2.7.1. Les deux électrolytes de la pile Daniell............................................................30
2.7.2. Densité de l’électrolyte liquide (élément liquide)..............................................32
2.7.3. Recommandations pour la manipulation de l’électrolyte..................................33
2.8. TERMINOLOGIE DES BATTERIES........................................................................34
2.9. DENSITÉ D’ÉNERGIE ............................................................................................36
2.10. EXERCICES .........................................................................................................37
3. CONSTRUCTION ET TECHNOLOGIE DES BATTERIES ............................................40
3.1. COMPOSANTS.......................................................................................................40
3.1.1. Boîtier..............................................................................................................40
3.1.2. Électrodes .......................................................................................................40
3.1.3. Séparateur.......................................................................................................40
3.1.4. Bornes.............................................................................................................41
3.1.5. Électrolyte........................................................................................................41
3.2. CONSTRUCTION INTERNE...................................................................................42
3.2.1. Électrodes (Compromis puissance/énergie)....................................................42
3.2.2. Électrodes de type aggloméré.........................................................................43
3.2.3. Électrodes à plaques planes ...........................................................................44
3.2.4. Électrodes spiralées (construction enroulée)...................................................45
3.2.5. Piles bouton ou pile ‘pièce’..............................................................................46

Équipements
Les batteries
3.2.6. Éléments à électrode multiple .........................................................................46
3.2.6.1. Configuration monopolaire .........................................................................46
3.2.6.2. Configuration bipolaire ...............................................................................46
3.3. INTERCONNECTIONS D’ÉLECTRODES ..............................................................48
3.4. BATTERIES ÉTANCHES ET À RECOMBINAISON................................................48
3.4.1. Électrolyte des batteries étanches...................................................................48
3.4.2. Soupapes de sécurité pour batteries étanches ...............................................49
3.5. BOITIER DE BATTERIE .........................................................................................50
3.5.1. Batteries cylindriques ......................................................................................50
3.5.2. Pile/batteries multi-éléments ...........................................................................51
3.5.3. Taille des piles/batteries courantes (à la maison)............................................51
3.5.4. Piles bouton et piles pièces.............................................................................52
3.5.5. Piles de type sachet ........................................................................................52
3.5.6. Batteries prismatiques.....................................................................................54
3.5.7. Batteries en couche mince ..............................................................................55
3.5.8. Batteries grande puissance.............................................................................56
3.5.9. Batteries de puissance ....................................................................................57
4. LES DIFFÉRENTS TYPES DE BATTERIES.................................................................59
4.1. NOMENCLATURE ..................................................................................................59
4.1.1. Identification des batteries...............................................................................59
4.1.2. Exemples.........................................................................................................60
4.1.2.1. Piles courantes (élément primaire).............................................................60
4.1.2.2. Batteries cylindriques de faible puissance .................................................61
4.1.2.3. Batteries/piles prismatiques .......................................................................62
4.2. ELEMENTS PRIMAIRES ........................................................................................64
4.2.1. Piles Leclanché (carbone-zinc) .......................................................................65
4.2.1.1. Caractéristiques .........................................................................................65
4.2.1.2. Avantages ..................................................................................................65
4.2.1.3. Inconvénients.............................................................................................66
4.2.1.4. Applications................................................................................................66
4.2.1.5. Prix.............................................................................................................66
4.2.2. Piles alcalines..................................................................................................67
4.2.2.2. Avantages ..................................................................................................68
4.2.2.3. Inconvénients.............................................................................................68
4.2.2.4. Applications................................................................................................68
4.2.2.5. Prix.............................................................................................................69
4.2.3. Piles à l’oxyde d’argent....................................................................................69
4.2.3.2. Avantages ..................................................................................................69
4.2.3.3. Inconvénients.............................................................................................69
4.2.3.4. Applications................................................................................................70
4.2.3.5. Prix.............................................................................................................70
4.2.4. Piles zinc air ....................................................................................................70
4.2.4.2. Avantages ..................................................................................................71
4.2.4.3. Inconvénients.............................................................................................71
4.2.4.4. Applications................................................................................................72

Équipements
Les batteries
4.2.4.5. Prix.............................................................................................................72
4.2.5. Piles au lithium ................................................................................................73
4.2.5.2. Avantages ..................................................................................................73
4.2.5.3. Inconvénients.............................................................................................74
4.2.5.4. Applications................................................................................................74
4.2.5.5. Prix.............................................................................................................75
4.2.6. Piles amorçables .............................................................................................75
4.2.6.2. Avantages ..................................................................................................76
4.2.6.3. Inconvénients.............................................................................................76
4.2.6.4. Applications................................................................................................76
4.2.6.5. Prix.............................................................................................................76
4.2.7. Piles thermiques..............................................................................................77
4.2.7.2. Avantages ..................................................................................................77
4.2.7.3. Inconvénients.............................................................................................78
4.2.7.4. Applications................................................................................................78
4.2.7.5. Prix.............................................................................................................78
4.3. BATTERIES ............................................................................................................79
4.3.1. Plomb acide.....................................................................................................80
4.3.1.2. Avantages ..................................................................................................81
4.3.1.3. Inconvénients.............................................................................................82
4.3.1.4. Charge .......................................................................................................83
4.3.1.5. Applications................................................................................................83
4.3.1.6. Prix.............................................................................................................84
4.3.1.7. Gamme de batteries plomb acide ..............................................................84
4.3.2. Fer nickel.........................................................................................................87
4.3.2.2. Avantages ..................................................................................................87
4.3.2.3. Inconvénients.............................................................................................87
4.3.2.4. Applications................................................................................................88
4.3.3. Nickel Cadmium ..............................................................................................89
4.3.3.1. Caractéristiques des piles sèches..............................................................89
4.3.3.2. Caractéristiques des batteries industrielles................................................89
4.3.3.3. Avantages ..................................................................................................92
4.3.3.4. Inconvénients.............................................................................................92
4.3.3.5. Charge .......................................................................................................93
4.3.3.6. Applications................................................................................................93
4.3.3.7. Prix.............................................................................................................94
4.3.4. Nickel métal hydrure........................................................................................94
4.3.4.2. Avantages ..................................................................................................95
4.3.4.3. Inconvénients.............................................................................................96
4.3.4.4. Charge .......................................................................................................96
4.3.4.5. Applications................................................................................................97
4.3.4.6. Prix.............................................................................................................97

Équipements
Les batteries
4.3.5. Nickel Zinc.......................................................................................................97
4.3.5.2. Avantages ..................................................................................................97
4.3.5.3. Inconvénients.............................................................................................98
4.3.5.4. Applications................................................................................................98
4.3.5.5. Prix.............................................................................................................98
4.3.6. Accumulateurs lithium .....................................................................................98
4.3.6.2. Avantages ..................................................................................................99
4.3.6.3. Inconvénients...........................................................................................100
4.3.6.4. Charge .....................................................................................................101
4.3.6.5. Applications..............................................................................................102
4.3.6.6. Prix...........................................................................................................102
4.3.6.7. Autres variétés de batteries rechargeables au lithium..............................102
4.3.7. Sodium soufre ...............................................................................................106
4.3.8. Batteries à circulation (Redox) ......................................................................107
4.3.8.1. Caractéristiques .......................................................................................107
4.3.8.2. Avantages ................................................................................................107
4.3.8.3. Inconvénients...........................................................................................107
4.3.8.4. Applications..............................................................................................107
4.3.8.5. Prix...........................................................................................................108
4.3.9. Batteries Zebra..............................................................................................108
4.3.9.1. Caractéristiques .......................................................................................108
4.3.9.2. Avantages ................................................................................................108
4.3.9.3. Inconvénients...........................................................................................108
4.3.9.4. Applications..............................................................................................109
4.3.9.5. Prix...........................................................................................................109
4.3.10. Autres piles galvaniques..............................................................................109
4.3.10.1. Batteries à électrolyte solide ..................................................................109
4.3.10.2. Nanotechnologies ..................................................................................109
4.3.10.3. Batteries au mercure..............................................................................110
4.3.10.4. Batteries nickel hydrogène (Ni-H2) ........................................................110
4.3.10.5. Batteries métal air ..................................................................................110
4.3.10.6. Batteries rechargeables aluminium-air...................................................110
4.4. BATTERIES PEU COURANTES...........................................................................111
4.4.1. Batterie à l’urine ............................................................................................111
4.4.2. Batteries Ampoule .........................................................................................111
4.4.3. Batterie « maison » .......................................................................................111
4.5. TABLEAU RÉCAPITULATIF – ACCUMULATEURS.............................................113
5. CHARGE DES BATTERIES (CHARGEUR DE BATTERIE)........................................115
5.1. COMMENT CHARGER ACCUMULATEURS OU BATTERIES ............................115
5.1.1. Charge des batteries plomb acide.................................................................116
5.1.1.1. Charge des batteries au plomb en 2 étapes.............................................117
5.1.1.2. Charge des batteries au plomb en 3 étapes.............................................118
5.1.2. Charge des batteries nickel-cadmium ...........................................................119
5.1.2.1. Charge normale .......................................................................................119
5.1.2.2. Charge accélérée.....................................................................................120
5.1.2.3. Charge rapide ..........................................................................................120

Équipements
Les batteries
5.1.2.4. Charge permanente .................................................................................120
5.1.2.5. Courant de maintien.................................................................................120
5.1.2.6. Méthode industrielle de charge ................................................................120
5.1.3. Charge des batteries nickel métal hydrure ....................................................122
5.1.4. Charge des piles au lithium ...........................................................................123
5.1.5. Charge des piles alcalines.............................................................................126
5.1.6. Pic delta-dV/dt - dV .......................................................................................127
5.1.7. Capacité réelle des batteries.........................................................................128
5.2. LE CHARGEUR DE BATTERIE............................................................................129
5.2.1. Description et principe de fonctionnement.....................................................129
5.2.2. Système mixte...............................................................................................130
5.2.3. Modes de fonctionnement .............................................................................131
5.2.3.1. Mode Floating ..........................................................................................132
5.2.3.2. Mode panne d’alimentation CA ................................................................133
5.2.3.3. Mode charge et alimentation de charge ...................................................133
5.2.3.4. Groupe de batteries .................................................................................134
5.2.3.5. Ventilation et extraction............................................................................134
5.3. LES ASI POUR ALIMENTATION CA....................................................................135
5.3.1. Synchronisation ASI ......................................................................................135
5.3.2. Principe de secours.......................................................................................136
5.3.2.1. Fonctionnement normal ...........................................................................138
5.3.2.2. Panne de l’alimentation CA primaire (normale)........................................138
5.3.2.3. Alimentation de secours en mode charge ................................................139
5.3.2.4. Maintenance en mode dérivation .............................................................140
6. OPÉRATIONS DE MAINTENANCE ............................................................................141
6.1. OBJECTIFS DE LA MAINTENANCE ....................................................................141
6.1.1. Protection des éléments................................................................................141
6.1.2. Contrôle de la charge ....................................................................................142
6.1.3. Gestion de la demande .................................................................................142
6.1.4. Détermination du SOC ..................................................................................142
6.1.5. Détermination du SOC ..................................................................................142
6.1.6. Équilibrage des éléments ..............................................................................142
6.1.7. Historique - (Fonction journal) .......................................................................143
6.1.8. Authentification et identification.....................................................................143
6.1.9. Communications............................................................................................143
6.2. MAINTENANCE GÉNÉRALE COURANTE...........................................................144
6.2.1. Propreté du banc de batterie.........................................................................144
6.2.2. Serrage des connexions entre éléments et vérification de résistance...........144
6.2.3. Mesure de chaque tension d’élément............................................................148
6.2.4. Mesure de la résistance interne de chaque élément .....................................150
6.2.5. Tests de décharge.........................................................................................152
6.2.5.1. Lors de l’installation..................................................................................152
6.2.5.2. Tous les six mois et tous les ans..............................................................153
6.2.5.3. Tests de continuité...................................................................................153
6.2.6. Mesures de température ...............................................................................153
6.2.7. Remplacement d’un élément.........................................................................154
6.2.8. Contrôle d’exploitation de routine ..................................................................155
6.3. MAINTENANCE SPÉCIFIQUE DES BATTERIES ................................................157

Équipements
Les batteries
6.3.1. Batterie plomb-acide ouverte liquide .............................................................157
6.3.1.1. Rythme de maintenance des batteries liquides classiques plomb acide..157
6.3.1.2. Aspect des éléments normaux.................................................................158
6.3.1.3. Test de densité (tous les 6 mois) .............................................................158
6.3.2. Batteries plomb-acide étanches, VRLA / AGM / GEL....................................159
6.3.2.1. Généralités...............................................................................................159
6.3.2.2. Périodicité de maintenance des batteries plomb-acide à régulation par
soupape / Gel........................................................................................................161
6.3.3. Batteries liquides ouvertes nickel-cadmium (Acide ou potassium) ................162
6.3.3.1. Périodicité de maintenance des batteries ouvertes Nickel-Cadmium.......162
6.3.3.2. Électrolyte de batterie ouverte nickel-cadmium........................................163
6.3.3.3. Niveau d’électrolyte..................................................................................163
6.3.3.4. Mesure de densité....................................................................................164
6.3.3.5. Renouvellement de l’électrolyte ...............................................................164
6.3.4. Batteries étanches nickel-cadmium VRLA / GEL ..........................................164
6.4. DIAGNOSTIC DE PANNES DES BATTERIES .....................................................165
6.4.1. Problèmes courants ......................................................................................165
6.4.2. Problèmes sur les batteries plomb acide ouvertes ........................................166
6.5. FICHES DE MAINTENANCE ................................................................................168
7. MESURES DE SÉCURITÉ POUR LE TRAVAIL SUR BATTERIES ............................173
7.1. INTRODUCTION AUX MESURES DE SÉCURITÉ DES BATTERIES..................173
7.2. TRAVAILLER SUR DES BATTERIES...................................................................173
7.2.1. Dangers sur les batteries...............................................................................174
7.2.1.1. Tension CC élevée...................................................................................174
7.2.1.2. Décharges électriques .............................................................................174
7.2.1.3. Bornes en court-circuit .............................................................................174
7.2.1.4. Arc électrique en cas de court-circuit .......................................................174
7.2.1.5. Déversement d’acide ...............................................................................174
7.2.1.6. Brûlures d’acide .......................................................................................174
7.2.1.7. Gaz hydrogène.........................................................................................175
7.2.1.8. Risque d’explosion...................................................................................175
7.2.2. Mesures de sécurité ......................................................................................175
7.2.2.1. Généralités...............................................................................................175
7.2.2.2. Vêtements de sécurité .............................................................................176
7.2.2.3. Outils de sécurité .....................................................................................176
7.2.2.4. Déversement d’acide et d’électrolyte .......................................................177
7.2.3. Danger des batteries .....................................................................................177
7.2.3.1. Danger d’explosion ..................................................................................177
7.2.3.2. Arrête-flammes – objectif et nettoyage.....................................................178
7.2.4. Installation de la salle des batteries...............................................................178
7.2.4.1. Implantation..............................................................................................178
7.2.4.2. Ventilation : ..............................................................................................179
7.2.4.3. Exemple d’implantation de la salle des batteries......................................180
8. GLOSSAIRE................................................................................................................181
9. SOMMAIRE DES FIGURES........................................................................................182
10. SOMMAIRE DES TABLEAUX ...................................................................................185
11. CORRECTIONS DES EXERCICES ..........................................................................186

Équipements
Les batteries
1. OBJECTIFS
Pouvoir expliquer, en comprenant les fondements, les principes de base du
fonctionnement et de la maintenance des différentes batteries présentes sur un site
industriel. Ce cours traite également du pendant incontournable des batteries : les
systèmes d’alimentation en courant continu (CC) ainsi que les concepts de base des ASI
(alimentations sans interruption) et convertisseurs courant continu / courant alternatif
(CC/CA).
Après cette formation, l’élève doit pouvoir :
Expliquer le principe fondamental d’une batterie,
Distinguer les différents types de piles et batteries,
Décrire les applications des différents types de batteries (plomb-acide, Ni-Cd, etc.),
Expliquer le choix de tel type de batterie pour tel emploi spécifique,
Tester des batteries en toute sécurité,
Expliquer pourquoi il existe différents régimes de charges,
Expliquer les différents types de charges : égalisation, entretien, rapide,
Distinguer les programmes de maintenance pour chaque type de batterie,
Expliquer les dangers associés au stockage, à la maintenance et à la charge des
batteries.

Équipements
Les batteries
2. GÉNÉRALITÉS
2.1. QU’EST CE QU’UNE BATTERIE ?
Nous pensons immédiatement à ce
type de batterie
ou encore à ces piles ou accumulateurs
Batterie de type ‘A’ Batteries de type ‘B’
Figure 1 : Différents types de batteries
Bien entendu, ces batteries existent sous d’autres formes et dimensions.
Que dire d’autre ?
Dans ma voiture, j’utilise une batterie de
type A
Pour des applications quotidiennes, j’utilise
des batteries de type B
Figure 2 : Différents emplois des batteries
Mais je me trompe peut-être (ou pas)...
A et B sont de construction différente, elles fonctionnent selon différents principes,
appartiennent à différentes catégories et présentent différentes tensions. En outre, utiliser
une batterie ou une pile non adaptée pourrait sérieusement endommager mon application.

Équipements
Les batteries
2.1.1. Qu’ont en commun toutes les batteries ?
Stockage de l’énergie,
Production de courant continu sous tension continue,
Principes communs : le + (anode) et le - (cathode),
Un électrolyte,
Attention nécessaire en matière d’élimination (précautions environnementales),
Fonctionnement possible en série ou en parallèle.
2.1.2. Qu’est-ce qui différentie les batteries les unes des autres ?
Dimension et volume,
Forme,
Capacité de stockage de l’énergie : de nombreux Ah... sous une certaine tension,
Matériau de l’anode et de la cathode,
Matériau du boîtier,
Type d’électrolyte,
Rechargeable ou non rechargeable,
Avec ou sans entretien pour le type A,
Sans entretien pour le type B.
Nous allons maintenant étudier les possibilités de combinaison des différents facteurs des
batteries de type A à employer sur site dans nos principales applications :
Armoires d’ASI à batteries
intégrées (ou séparées)
Nombre et dimensions des
batteries à employer
suivant les besoins en
alimentation
Figure 3 : Armoires d’ASI

Équipements
Les batteries
Chargeur
d’accumulateurs +
groupe de batteries
Distribution de tension et
courant continu dans l’unité
Figure 4 : Chargeur et groupe de batteries
Figure 5 : Jeu de batteries
Jeu de batteries pour le démarrage d’un
Moteur diesel de groupe électrogène
(EDG), pompe à incendie, etc. et une
simple batterie 12V pour votre véhicule (sur
site)
Si ceci se produit sur un groupe de batteries,
c’est sûrement que quelque chose a été
oublié, sur le plan de la surveillance et/ou de
la maintenance de « vos » batteries...
C’est déjà arrivé sur certains sites... et on
invoque (presque) toujours une « mauvaise
qualité de fabrication »... excuse un peu
facile (même si ce n’est pas toujours faux).
La véritable raison en est plutôt la
compétence « discutable » de l’opérateur ou
du technicien qui doit contrôler les
paramètres en salle de commande ou local
électrique, et/ou une inertie, une
méconnaissance de la maintenance...
Figure 6 : Problème sur une batterie
2.1.3. Quel est notre but ?
Nous allons principalement étudier les batteries de type A, qui requièrent attention et
entretien. Pour le type B, nous aborderons simplement les différents types et principes.
En réalité, les caractéristiques de fabrication sont définies selon l’élément de batterie. Un
élément de batterie seul peut être une pile. Une batterie, en général, est une association
d’éléments de batterie choisis pour fournir une certaine valeur de tension et capacité (en
Ah). Pour étudier les caractéristiques et la technologie d’un élément de batterie, il nous
faut savoir comment le courant peut être généré. Cela fera l’objet du paragraphe suivant.

Équipements
Les batteries
2.2. ORIGINE ET HISTORIQUE DES BATTERIES
Mais avant d’aborder les explications « sérieuses », un peu d’histoire(s)...
Certains indices prêtent à penser que des batteries pourraient avoir été employées dans
l’Antiquité, notamment à Bagdad il y a environ 2000 ans. Des découvertes ont ainsi été
faites en Égypte, datant de l’Antiquité, mais il n’a jamais été prouvé qu’il s’agisse de
batteries.
La première batterie documentée de l’époque moderne est attribuée à l’Américain
Benjamin Franklin au milieu du 18ème
siècle. Il conçut, à partir de plaques de verre
chargées, un condensateur capable de produire de puissants chocs électriques, d’où le
terme batterie, faisant référence à l’expression de l’époque « prendre la batterie d’assaut »
50 ans plus tard environ, au tout début du 19ème
siècle, l’Italien Alessandro Volta conçut
la première batterie chimique employant des rondelles de cuivre et de zinc dans un liquide
acide. Cette découverte a entraîné de nombreux progrès scientifiques dans l’Europe du
19ème
siècle naissant. En effet, il était désormais possible de produire de l’électricité de
façon fiable.
Volta a été suivi par William Cruickshank, qui a créé la première batterie en 1802. Il a
aligné différentes feuilles carrées de cuivre, les a soudées ensembles par une extrémité à
un connecteur, a intercalé des feuilles de zinc de mêmes dimensions, et immergé le tout
dans une boîte rectangulaire en bois étanche contenant une solution aqueuse d’acide
dilué (ou salé).
Il créa ainsi la première batterie (non rechargeable).
Le principal progrès suivant provint de la version toute nouvelle de pile du Français
Georges Leclanché, utilisant le carbone et le zinc. Ce fut là la naissance du principe
technologique toujours valable aujourd’hui des piles non rechargeables.
Un autre Français, Raymond Gaston Planté créa la première batterie rechargeable ou
accumulateur, utilisant des plaques de plomb immergées dans une solution aqueuse à
10% d’acide sulfurique dans les années 1860. Cette invention a servi pendant 150 ans
environ et est à la base du type de batteries toujours employées dans nos voitures.
Au cours des 120 dernières années, le rythme des nouvelles inventions s’est intensifié.
Toute la variété de batteries dont nous nous servons aujourd’hui a été développée dans
cette période. Il est surprenant de penser que la technologie ayant permis de développer
ces nouvelles sortes de piles découle des progrès en chimie et physique qui ont eu lieu à
la suite de la pile de Volta en 1800.
Ceci a conduit à la découverte de nouveaux métaux et matériaux nécessaires à la
conception de ces nouvelles batteries.

Équipements
Les batteries
Quelques dates clé :
Année Inventeur Invention
1600 Gilbert (Royaume-Uni) Première études sur l’électrochimie
1791 Galvani (Italie) L’ « électricité animale »
1800 Volta (Italie) Découverte de la « pile voltaïque »
1802
Cruickshank
(Royaume-Uni)
Première production en série d’une pile électrique
1820 Ampère (France) Le magnétisme produit de l’électricité
1833
Faraday (Royaume-
Uni)
Énonciation de la loi de Faraday
1836 Daniell (Royaume-Uni) Invention de la « Pile Daniell »
1859 Planté (France) Batterie plomb / plomb - acide
1868 Leclanché (France) Pile Leclanché
1881 Émile Faure (France) Batterie à l’oxyde de plomb
1888 Gassner (États-Unis) Pile sèche
1897
Tesla (Serbie / États-
Unis)
Batterie oxygène hydrogène
1899 Jungner (Suède) Batterie Nickel Cadmium
1900 Edison (États-Unis) Stockage du nickel
1905 Edison (États-Unis) Batterie nickel fer
1942 Ruben & Mallory Pile au mercure
1947 Neumann (France) Premières piles nickel cadmium concrètes
1959 Urry (États-Unis) Brevets des piles alcalines
1960 -- Développement des piles au lithium
Années
70
--
Développement des accumulateurs VRLA plomb-acide à
régulation par soupape
1990 Première batterie Ni-MH en vente
1992 Kordesh (Canada) Vente de la première batterie alcaline rechargeable
1999 Première batterie Li-ion
2002 Première production limitée de pile à combustible
Tableau 1 : Quelques dates clé concernant les batteries

Équipements
Les batteries
2.3. CHIMIE D’UNE PILE ÉLECTRIQUE
Une batterie est constituée d’une ou plusieurs éléments électrochimiques. Bien que les
termes batterie et élément de batterie soient souvent employés de façon interchangeable,
les seconds sont les éléments constitutifs à partir desquels sont construites les batteries.
Les batteries sont constituées d’éléments reliés électriquement.
Le terme batterie n’a pas disparu mais la véritable dénomination de cette source d’énergie
est cellule ou élément de batterie.
La production d’énergie dans un élément de batterie repose sur une réaction chimique. Il
suffit d’étudier quelques points de chimie pour expliquer ce qui s’y passe.
2.3.1. Élément de batterie
Un élément de batterie est normalement constitué de 4 composants principaux :
Figure 7 : Composition d’un élément de batterie
Ces composants sont :
Une électrode positive ou cathode (agent oxydant) qui reçoit les électrons du
circuit externe lorsque l’élément est déchargé et qui est réduite au cours de la
réaction électrochimique (décharge). Il s’agit d’ordinaire d’un oxyde métallique ou
d’un sulfure, mais parfois d’oxygène. Le processus cathodique est la réduction de
l’oxyde quittant le métal. (GR : Gain d’électrons - Réduction).
Une électrode négative ou anode (agent réducteur ou combustible) qui donne
des électrons au circuit externe tandis que l’élément se décharge et est oxydée
au cours de la réaction électrochimique (décharge). Elle est constituée en
général d’un métal ou d’un alliage mais parfois d’hydrogène. Le processus

Équipements
Les batteries
anodique est l’oxydation du métal qui produit les ions. (PEO : Perte d’électrons -
Oxydation).
Un électrolyte (le conducteur ionique) qui fournit le milieu de transfert de la
charge sous forme d’ions dans la pile entre l’anode et la cathode. L’électrolyte est
typiquement un solvant contenant des produits chimiques dissous qui offrent une
conductivité ionique. Ce devrait être un matériau non-conducteur d’électrons (ou
d’ions) afin d’éviter l’autodécharge de la pile.
Un séparateur qui isole électriquement les électrodes positive et négative.
Dans certains cas, c’est la distance physique entre les électrodes qui assure l’isolation et
le séparateur est alors inutile.
Outre les éléments clé ci-dessus, les éléments prévus pour le commerce nécessitent en
principe, pour être complets, différentes sortes de boîtiers et un système de récupération
de courant.
Tous les métaux présentent une tension naturelle et différents métaux immergés dans un
électrolyte présentent différentes forces électromotrices (FEM), dont les exemples ci-
dessous :
Métal FEM (volts) Métal FEM (volts)
Magnésium Mg : -2,37 Plomb Pb : - 0,13
Aluminium Al : -1,66 Hydrogène H : 0
Zinc Zn : -0,76 Cuivre Cu : +0,34 à +0,52
Fer Fe : - 0,44 Mercure Hg : + 0,80
Cadmium Cd : - 0,40 Argent Ag : + 0,80
Nickel Ni : - 0,23 Or Au : +1,58 à +1,68
Tableau 2 : Tension naturelle des métaux
L’association de ces différents métaux, sous forme de tige ou de plaque (seule ou en
série) fixe la valeur de FEM ou tension de l’élément de batterie.
2.3.2. Comment fonctionne un élément de batterie ?
Lorsqu’une batterie (ou un élément) est insérée dans un circuit, elle constitue une boucle
qui permet à la charge de circuler de façon uniforme le long du circuit.
Sur la partie externe du circuit, la circulation de la charge est assurée par le déplacement
des électrons, ce qui produit le courant électrique.

Équipements
Les batteries
Dans l’élément, la charge se répartit par circulation d’ions d’une électrode à l’autre.
L’électrode positive reçoit des électrons du circuit externe lors de la décharge. Ces
électrons réagissent alors avec les matières actives de l’électrode positive par réactions
de réduction, qui poursuivent la circulation de charge dans l’électrolyte vers l’électrode
négative.
Sur l’électrode négative, des réactions d’oxydation entre les matières actives de l’électrode
négative et la circulation de la charge au travers de l’électrolyte provoquent un surplus
d’électrons qui peuvent être fournis au circuit externe.
Il est très important de noter que le système est fermé. Pour chaque électron généré par
une réaction d’oxydation sur l’électrode négative, un électron est consommé dans une
réaction de réduction sur l’électrode positive.
Au cours du processus, les matières actives disparaissent peu à peu et les réactions
ralentissent jusqu’à ce que la batterie ne puisse plus fournir d’électrons. La batterie est
alors déchargée.
Figure 8 : Processus au sein d’un élément de batterie
Un élément voltaïque chimique est une combinaison de matériaux employés pour
convertir l’énergie chimique en énergie électrique. L’élément chimique est composé de
2 électrodes constituées de différentes sortes de métaux ou composés métalliques et d’un
électrolyte, qui est une solution capable de conduire un courant électrique (Cf. figure ci-
dessus). On parle de batterie lorsque 2 éléments ou plus sont connectés.
Le zinc et le cuivre sont un excellent exemple de paire d’électrodes. Le zinc contient une
grande quantité d’atomes chargés négativement, tandis que le cuivre contient une grande

Équipements
Les batteries
quantité d’atomes chargés positivement. Lorsque des plaques constituées de ces métaux
sont immergées dans un électrolyte, une réaction chimique se produit entre elles.
L’électrode de zinc accumule une charge négative bien supérieure, à mesure qu’elle se
dissout graduellement dans l’électrolyte.
Figure 9 : Pile voltaïque chimique
Les atomes qui quittent l’électrode de zinc sont chargés positivement. Ils sont attirés par
les ions de l’électrolyte chargés négativement (-), tandis qu’ils repoussent les ions chargés
positivement (+) de l’électrolyte vers l’électrode de cuivre (Fig « processus » partie b).
Cela provoque l’arrachement des électrons du cuivre, qui présente alors un excès de
charge positive.
Si une charge telle qu’une ampoule électrique est placée entre les bornes des électrodes,
les forces d’attraction et répulsion vont pousser les électrons libres vers l’électrode
négative de zinc, reliant les câbles et déplaçant le filament de l’ampoule vers l’électrode de
cuivre positivement chargée (Fig « processus » partie c).
La différence de potentiel résultante permet à la pile de fonctionner comme une source de
tension appliquée.
R
r1
i
V1 R
i
V2
r2
Question : quel est le potentiel
(théoriquement) le plus élevé ?
‰ V1 ‰ V2
Quel schéma représente un élément de
batterie ?
‰ Gauche ‰ Droite ‰ Les 2
Quel schéma peut représenter une
batterie?
‰ Gauche ‰ Droite ‰ Les 2

Équipements
Les batteries
Ainsi, les batteries sont des dispositifs qui permettent de convertir l’énergie
chimique en énergie électrique dont la tension est fonction des métaux des
électrodes.
Au sein de la batterie elle-même, une réaction chimique produit les électrons.
La vitesse de production des électrons par cette réaction chimique (résistance interne de
la batterie) détermine le nombre d’électrons qui peuvent circuler entre les bornes.
Lorsque les électrons circulent de la batterie dans un câble, ils doivent se déplacer de la
borne négative à la borne positive pour permettre à la réaction chimique de se produire.
C’est la raison pour laquelle une batterie peut rester entreposée pendant un an et fournir
ensuite toute son énergie. Tant que les électrons ne circulent pas de la borne négative à la
positive, la réaction chimique n’a pas lieu.
Dès lors que vous reliez une batterie à une charge, la réaction commence.
2.3.3. Processus de décharge
Lorsque la batterie est complètement chargée, il y a un surplus d’électrons sur l’anode, ce
qui lui confère une charge négative et un déficit d’électrons sur la cathode, ce qui lui
confère une charge positive, d’où une différence de potentiel dans la batterie.
Lorsque le circuit est fermé, le surplus d’électrons circule dans le circuit externe depuis
l’anode chargée négativement, qui perd toute sa charge et la cathode chargée
positivement, qui l’accepte en neutralisant sa charge positive. Cette action réduit la
différence de potentiel dans la batterie jusqu’à l’annuler. Le circuit est fermé ou équilibré
du fait de la circulation d’ions positifs dans l’électrolyte de l’anode vers la cathode.
Les électrons sont chargés négativement, par conséquent, le courant électrique qu’ils
engendrent circule dans la direction opposée, depuis la cathode (borne positive) vers
l’anode (borne négative).
2.3.4. Recharger ou ne pas recharger
Les batteries se répartissent principalement en 2 classes :
Primaires (piles ou batteries)
Dans les éléments primaires, la réaction électrochimique n’est pas réversible. Au
cours de la décharge, les composants chimiques se modifient de façon
permanente et l’énergie électrique est fournie jusqu’à ce que les composants
d’origine soient complètement épuisés. C’est pourquoi ces éléments (de piles) ne
peuvent servir qu’une fois.
Secondaires (accumulateurs).

Équipements
Les batteries
Dans les éléments secondaires (accumulateurs), la réaction électrochimique est
réversible et les composants chimiques d’origine peuvent être reconstitués par
application d’un potentiel électrique entre les électrodes, ce qui injecte de
l’énergie dans la pile. Ces accumulateurs peuvent être déchargées et rechargées
plusieurs fois.
Les éléments primaires (piles) telles que
celles des lampes de poche sont à
utilisation unique et doivent être remplacés.
Les réactions chimiques qui fournissent le
courant sont irréversibles. Ils ne peuvent
pas être rechargées.
Figure 10 : Éléments primaires
Les accumulateurs (ou éléments
secondaires) peuvent être rechargés et
déchargés plusieurs fois.
Ils mettent en œuvre des réactions
chimiques réversibles. En inversant la
circulation d’électricité, c’est à dire en en
faisant entrer et non plus sortir, les
réactions chimiques sont inversées afin de
restituer des matières actives épuisées.
Figure 11 : Accumulateurs (secondaires)
Les accumulateurs sont également connus sous le nom de batteries rechargeables ou
batteries d’accumulateurs (accumulateur = batterie rechargeable).
Au Chapitre 3, nous verrons les différents types de batteries en différenciant les éléments
primaires des secondaires (accumulateurs).
2.3.5. Choix des produits chimiques actifs
La tension et l’intensité générées par une batterie galvanique sont directement liées au
type de matériaux employés dans les électrodes et l’électrolyte.
La propension d’un métal ou d’un composé de métaux à perdre ou gagner des électrons
dans son interaction avec un autre matériau est connue sous le nom de potentiel
d’électrode. Ainsi, les forces des agents oxydants et réducteurs sont indiquées par leur
potentiel d’électrode standard.

Équipements
Les batteries
Les composés présentant un potentiel d’électrode positif sont employés pour les anodes
et ceux présentant un potentiel d’électrode négatif pour les cathodes.
Plus la différence entre les potentiels d’électrode de l’anode et de la cathode est grande,
plus la FEM de l’élément et la quantité d’énergie qu’il peut produire sont élevées.
Note : une plus grande FEM produit une plus grande énergie, mais d’autres paramètres
sont concernés quant à la capacité de la batterie
La série électrochimique est une liste ou un tableau d’éléments métalliques ou d’ions
classés selon leur potentiel d’électrode. L’ordre indique la tendance d’un métal à réduire
les ions d’un métal qui le suit dans la série.
Voici un extrait du tableau des potentiels standard d’oxydoréduction présentant les valeurs
limites du tableau :
Potentiels des agents oxydants et réducteurs
Cathode (Réduction)
Demi-réaction
Tension standard
E ° (volts)
Li + (aq) + e - -> Li(s) -3,04
K + (aq) + e - -> K(s) -2,92
Ca2+ (aq) + 2e - -> Ca(s) -2,76
Na + (aq) + e - -> Na(s) -2,71
Zn2+ (aq) + 2e - -> Zn(s) -0,76
Cu2+ (aq) + 2e - -> Cu(s) 0,34
O3 (g) + 2H + (aq) + 2e - -> O2 (g) + H2O(l) 2,07
F2 (g) + 2e - -> 2F - (aq) 2,87
Tableau 3 : Exemples issus du tableau des potentiels standard
Les valeurs d’entrée du tableau sont des potentiels de réduction, c’est pourquoi le lithium
(à la première ligne) présente la plus forte valeur négative, ce qui indique qu’il est le
réducteur le plus puissant. L’oxydant le plus puissant est la fluorine, qui présente la plus
forte valeur positive de potentiel d’électrode standard.
Le tableau ci-dessous présente quelques produits chimiques employés comme électrodes
de batteries, classés par ordre de potentiel d’électrode.

Équipements
Les batteries
Matériau d’anode Matériau de cathode
(Bornes négatives) (Bornes positives)
MEILLEUR : Plus forte valeur
négative
MEILLEUR : Plus forte valeur
positive
Lithium Ferrate
Magnésium Oxyde de fer
Aluminium Oxyde cuivreux
Zinc Iodate
Chrome Oxyde cuivrique
Fer Oxyde de mercure
Nickel Oxyde cobaltique
Étain Dioxyde de manganèse
Plomb Dioxyde de plomb
Hydrogène Oxyde d’argent
Cuivre Oxygène
Argent Nickel Oxyhydroxide
Palladium Dioxyde de nickel
Mercure Peroxyde d’argent
Platine Permanganate
Or Bromate
PIRE : Moins fortes valeurs
négatives
PIRE : Moins fortes valeurs
positives
Les éléments à électrolytes aqueux (contenant de l’eau) sont limitées en tension à 2 volts
environ, l’oxygène et l’hydrogène de l’eau se dissociant à des tensions supérieures. Les
éléments (de pile) au lithium qui emploient des électrolytes non aqueux ne présentent pas
ce type de problème et sont disponibles à des tensions comprises entre 2,7 et 3,7 volts.
Cependant, l’emploi d’électrolytes non aqueux provoque dans ces éléments une
impédance interne relativement élevée.

Équipements
Les batteries
2.4. CONCEPT DE BASE DES BATTERIES
Deux paramètres mesurent la performance d’une batterie ou d’une pile : la tension et la
capacité. Très simplement, la tension est la force qui propulse chaque électron sortant
d’une batterie et la capacité est le nombre d’électrons que peut fournir une batterie.
La relation entre ces paramètres et les batteries est exposée ci-dessous.
2.4.1. Tension
Toutes les batteries fonctionnent selon la même gamme de réactions et emploient les
mêmes matières actives.
Prenons pour exemple la batterie plomb - plomb / acide pour notre démonstration.
Sur l’électrode positive, le dioxyde de plomb (PbO2) est transformé en sulfate de plomb
(PbSO4) et sur l’électrode négative, le plomb spongieux (Pb) est également transformé en
sulfate de plomb (PbSO4). L’électrolyte est un mélange dilué d’acide sulfurique qui permet
la sulfatation pour les réactions de décharge.
Les réactions de réduction et d’oxydation produisent chacune un potentiel spécifique. La
somme des potentiels de réduction et d’oxydation constitue la tension de l’élément. Par
exemple, la réaction de décharge sur l’électrode positive pour un élément plomb acide
est :
PbO2 + SO4 -2 + 4H+ + 2e- → PbSO4 + 2H2O,
qui présente un potentiel de 1,685 volts.
La réaction sur l’électrode négative est la suivante :
Pb + SO4-2 → PbSO4 + 2e,
qui présente un potentiel de 0,356 volts. Ainsi, la tension totale d’un élément de batterie
plomb acide est de 2,04 volts.
Cette valeur est appelée potentiel d’électrode standard. D’autres facteurs, tels que la
concentration en acide peuvent également agir sur la tension d’un élément de batterie
plomb acide. La tension à vide typique des éléments plomb acide du commerce est
d’environ 2,15 volts, selon les fabricants.
Ainsi, la tension de tout élément de batterie dépend de la chimie de l’élément.
Les éléments nickel cadmium fournissent environ 1,2 volts,
les éléments plomb acide environ 2,0 volts, et

Équipements
Les batteries
les éléments au lithium peuvent atteindre 4 volts. (3,6 – 3,7 V).
Les éléments peuvent être interconnectés, afin d’augmenter la tension. On peut ainsi
disposer de batteries plomb acide avec des tensions nominales de 2 V, 4 V, 6 V, etc.
2.4.2. Capacité
Alors que la tension d’un élément est déterminée par la chimie qui régit celui-ci, la
capacité en est variable, selon la quantité de matière active qu’elle contient. Les éléments
individuels peuvent présenter une capacité allant de fractions d’ampères heure à quelques
milliers d’ampères heure.
La capacité d’une batterie est exprimée en ampères-heure (Ah). La capacité d’un
accumulateur permet de déterminer la durée pendant laquelle il pourra fonctionner pour un
certain taux de décharge.
Par exemple, un accumulateur de 90 Ah doit être rechargé après 9 h de décharge
moyenne de 10 A.
Un élément de batterie auto plomb acide totalement chargé présente une tension initiale
de 2,1 V hors charge, mais se décharge rapidement. La batterie est ainsi morte après
environ 2 h de décharge dans un circuit (valeur 2 heures de décharge sur le circuit des
phares à titre d’exemple). Cependant, en conditions normales d’utilisation, l’alternateur de
l’automobile recharge en permanence ce type de batterie.
Question/Exercice :
Une voiture est équipée d’une batterie 50 Ah, pleine charge. Je laisse les phares allumés ;
une puissance de 60 W pendant 2 heures décharge la batterie (on considère que la
tension est constante à 12 V). Combien de temps faudra-t-il pour recharger la batterie
avec un courant de 0,1 fois la capacité de la batterie (C/10 A ou 0,1 C A)
‰ 0,5 heure ‰ 1 heure ‰ 2 heures ‰ 5 heures ‰ 10 heures
Vous pouvez trouver la solution sans avoir vu le chapitre 4 sur la charge des batteries.
2.4.3. Tension et capacité
Les batteries sont en principe composées de multiples
éléments électriquement connectés. La façon dont les
connexions électriques sont faites détermine la tension et
la capacité de la batterie.
Figure 12 : Tension et capacité
Si la borne positive d’un élément est connectée à la borne
négative du suivant et ainsi de suite dans la batterie, le
résultat (présenté sur la figure ci-contre) s’appelle une

Équipements
Les batteries
batterie série. La tension de ce type de batterie est égale à la somme des tensions des
éléments pris séparément.
Par exemple, une batterie 12 V est constituée d’éléments plomb acide 6 x 2 V en série.
Les tensions s’ajoutent, mais la capacité totale reste égale à celle de chaque élément pris
séparément.
Le paragraphe suivant présente la tension et la capacité.
2.5. ÉLÉMENTS EN SÉRIE ET EN PARALLÈLE
Toutes les sortes de piles ou batteries
peuvent être associées, en série ou en
parallèle.
Pour les éléments primaires carbone-zinc ci-
contre, la tension « naturelle » est de 1,5 V
par élément.
Figure 13 : Éléments en série et parallèle
Question : avec plusieurs éléments de
batterie :
En parallèle, j’augmente ‰ la capacité ‰ la tension ‰ la tension ET la capacité
En série, j’augmente ‰ la capacité ‰ la tension ‰ la tension ET la capacité
2.5.1. Éléments reliés en série
Lorsque des éléments sont reliés en série, la tension totale dans la batterie d’éléments
est égale à la somme des tensions de chacun des éléments pris séparément. Sur la figure
les 4 piles 1,5 V en série offrent une tension totale de 6 V.
Lorsque les éléments sont reliés en
série, la borne positive de l’un est
reliée à la borne négative du suivant.
Figure 14 : Éléments reliés en série

Équipements
Les batteries
Le courant qui circule dans une telle batterie d’éléments en série est le même que celui
d’un seul de ces éléments. En effet, c’est le même courant qui circule dans tous les
éléments en série.
Note : Dans toute configuration de batteries, chacun des éléments employés dans la
série doit être identique à ses voisins.
Une disposition en série est une série de blocs reliés bout à bout, pour former la batterie.
La borne positive du premier bloc est reliée à la borne négative du deuxième bloc ; la
borne positive du deuxième à la borne négative du troisième, etc.
La tension totale de la batterie est égale à la somme des tensions de chaque bloc seul et
doit être étudiée pour correspondre aux spécifications de tension de l’ASI ou du circuit de
charge (nous anticipons ici sur le chapitre suivant).
La capacité de la batterie reste identique dans cette disposition et est égale à celle de
chaque élément pris séparément.
Exemple :
Si 12 blocs de 12 V, 10 Ah, sont reliés en série, la
batterie résultante fournit 144 V et une capacité de
10 Ah.
Figure 15 : 12 éléments reliés en série
2.5.2. Éléments reliés en parallèle
Pour obtenir un courant plus élevé, les éléments de la batterie doivent être reliés en
parallèle.
Lorsque les éléments sont reliés en
parallèle, toutes les bornes positives sont
reliées les unes aux autres et toutes les
bornes négatives sont reliées entre elles.
Tout point pris du côté positif peut servir de
borne positive de la batterie et tout point sur
le côté négatif de borne négative.
Figure 16 : Éléments reliés en parallèle

Équipements
Les batteries
La tension totale de sortie d’une batterie de 3 éléments en parallèle est la même que celle
d’un élément pris séparément, mais le courant disponible est égal à 3 fois celui d’un
élément seul. La liaison parallèle présente le même effet qu’un accroissement de la taille
des électrodes et de l’électrolyte dans un élément seul, qui accroît la capacité de courant.
Des éléments identiques de batterie mis en parallèle fournissent tous à part égale du
courant à la charge.
Ainsi, pour 3 éléments identiques en parallèle produisant une charge de courant de
270 mA, chaque élément y contribue pour 90 mA.
Connexion série ou parallèle pour « notre » application industrielle :
Un montage en parallèle est une combinaison de 2 ou plusieurs montages en série,
dans laquelle chaque montage doit présenter le même nombre de blocs. Les batteries
sont parallélisées pour deux raisons principales. La première raison vise à augmenter la
capacité (débit en Ah) du groupe de batteries. La seconde vise à accroître la résilience du
groupe de batteries afin qu’un élément de batterie défaillant n’entraîne pas l’indisponibilité
de l’ensemble des batteries pour la charge à alimenter.
La borne positive de la 1ère
batterie du montage en série est reliée à la borne positive de la
2ème
batterie du montage ; la borne positive de la 2ème
à la borne positive de la 3ème
, etc.
La borne négative de la 1ère
batterie du montage en série est reliée à la borne négative de
la 2ème
batterie du montage ; la borne négative de la 2ème
à la borne négative de la 3ème
,
etc.
La tension totale de la batterie est égale à la tension de chaque montage en série.
La capacité de la batterie est égale à
la somme des capacités de chaque
montage en série pris seul.
Exemple :
Si 3 montages de 12 batteries de 12
V et 10 Ah sont reliés en parallèle, la
batterie résultante fournit 144 V et
une capacité de 30 Ah.
Figure 17 : 3 montages de 12 blocs
en parallèle
Il est inhabituel de voir plus de 6 montages de batteries en série mis en parallèle.

Équipements
Les batteries
Questions :
Pour obtenir un courant plus grand, la batterie présente des éléments en
‰ parallèle ‰ série
3 éléments identiques en parallèle (90 mA) produisent un courant de charge de
‰ 270 mA ‰ 90 mA ‰ 30 mA
La tension totale de sortie d’une batterie constituée de 3 éléments en parallèle est
‰ la même que celle d’un élément seul ‰ différente
Calculer la tension « théorique » de cet assemblage série
Cette configuration est-
elle possible (polarités
mélangées ?)
‰ Oui ‰ Non

Équipements
Les batteries
2.6. RÉSISTANCE INTERNE D’UNE BATTERIE
Une batterie est un générateur de tension continue. Tous les
générateurs présentent une résistance interne R1.
Dans un élément de batterie chimique, la résistance de
l’électrolyte entre les électrodes est à l’origine de la plus
grande part de la résistance interne.
Figure 18 : Résistance interne d’une batterie
Tout courant dans la batterie doit circuler dans la résistance
interne, ainsi, R1 est en série avec le potentiel généré VB.
En l’absence de courant, la chute de potentiel au travers de R1
est nulle et l’ensemble du potentiel généré VB est présent aux
bornes de sortie.
Il s’agit ici de tension en circuit ouvert ou tension à vide.
Figure 19 : Tension à vide
Si une résistance de charge RL est
connectée à la batterie, RL est en série
avec R1.
Lorsque le courant IL circule dans ce
circuit, la chute interne de potentiel, ILR1,
diminue la tension VL aux bornes de la
batterie comme suit :
VL = VB – ILR1
Figure 20 : Tension aux bornes
La tension mesurée entre le + et le - d’une batterie en circuit ouvert est systématiquement
supérieure à celle mesurée entre les mêmes points de la batterie en charge.

Équipements
Les batteries
La résistance interne d’un élément de batterie peut être calculée à l’aide du circuit ci-
dessous :
Si l’on mesure la tension E de l’élément,
commutateur ouvert, puis que l’on ferme le
commutateur et que l’on mesure le courant (i)
et à nouveau la tension de l’élément, soit U.
Si E = 2,2 V, U = 2,0 V et i = 10 A, alors on
peut calculer la résistance interne (R1).
La chute de tension interne (Vc) de l’élément,
due à la résistance est
VC = E - U = 2,2 V - 2,0 V = 0,2 V
Figure 21 : Calcul de la résistance interne
De la sorte,
1
1 02
0
1
2
0
R
i
V
R c
=
Ω
=
=
= ,
,
Exercice :
À vous maintenant de déterminer la tension réelle sur une charge.
Une batterie sèche présente une tension en circuit ouvert ou tension à vide de 100 V. Si la
résistance interne est de 100 Ω et que la résistance de charge est de 600 Ω déterminer la
tension VL entre les bornes de sortie.
La batterie est marquée 100 V
parce que sa tension en circuit
ouvert est de 100 V. À vide, le
courant de charge est nul.
Si l’on ajoute une résistance de
charge RL, le circuit est fermé et
le courant de charge se calcule
par la loi d’Ohm.
VL = ??
+
V
A R
-
R1
i

Équipements
Les batteries
2.7. ÉLECTROLYTE
L’électrolyte d’un élément peut être liquide ou sous forme de pâte.
Si l’électrolyte est liquide, on parle souvent d’élément de batterie liquide.
Si l’électrolyte est sous forme de pâte, on parle d’élément de batterie sèche.
On appelle souvent gel cette pâte.
L’électrolyte est le conducteur ionique qui fournit le milieu de transfert de charge sous
forme d’ions dans la pile, entre l’anode et la cathode.
L’électrolyte est typiquement un solvant contenant des produits chimiques dissous qui
assurent la conductivité ionique. Ce devrait toujours être un produit non-conducteur
d’électrons afin d’éviter l’autodécharge de l’élément.
Les éléments à base d’électrolytes aqueux (contenant de l’eau), dites liquides, sont
limitées en tension à moins de 2 volts, l’oxygène et l’hydrogène de l’eau se dissociant à
des tensions supérieures. Les éléments au lithium qui emploient des électrolytes non
aqueux ne présentent pas ce type de problème et sont disponibles à des tensions
comprises entre 2,7 et 3,7 volts.
Cependant, l’emploi d’électrolytes non aqueux provoque dans ces éléments une
impédance interne relativement élevée.
2.7.1. Les deux électrolytes de la pile Daniell
(et résumé du fonctionnement de celle-ci)
Les principes de la pile galvanique peuvent être expliqués en étudiant le fonctionnement
de la pile Daniell, un système à 2 électrolytes.
Les systèmes de piles à 2 électrolytes existent depuis environ 1836, date d’invention de la
pile Daniell visant à résoudre les problèmes de polarisation. La figure suivante illustre le
fait qu’il existe effectivement 2 demi éléments (de pile) dans lesquelles les réactions
chimiques se déroulent. Chaque électrode est immergée dans un électrolyte différent avec
lequel elle réagit.
Le potentiel d’électrode, qu’il soit positif ou négatif, est la tension développée par
l’électrode seule. Les électrolytes sont séparés l’un de l’autre par un pont salin ou une
membrane poreuse qui est neutre et n’intervient pas dans la réaction.
Un processus d’osmose laisse passer les ions sulfate mais bloque les ions métalliques.

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CATHODE PILE DANIELL ANODE
Pôle négatif de la pile
Pôle positif de la pile Le zinc perd des électrons
plus facilement que le cuivre
Accepte des électrons
depuis le circuit externe
Fournit des électrons au
circuit externe
Du métal de cuivre se
dépose sur la cathode
Le zinc se répand dans la
solution aqueuse
Site de Réduction Site d’Oxydation
Demi-pile au potentiel
d’électrode le plus haut
Demi-pile au potentiel
d’électrode le plus bas
GR PEO
Figure 22 : Pile Daniell
Ce schéma à 2 électrolytes offre plus de degrés de liberté ou de contrôle sur le processus
chimique.
Bien que plus complexes, ces piles ont permis la construction de piles à durée de vie plus
longue en optimisant la combinaison électrolyte/électrode séparément sur chaque
électrode.
Plus récemment, elles ont été employées comme base des Accumulateurs à circulation
constante, dans lesquels les électrolytes sont pompés par la pile, offrant une capacité
quasi illimitée.
Le zinc est un matériau d’anode très courant. L’action chimique ci-dessus en provoque la
dissolution dans l’électrolyte.
On peut dire de la pile Daniell ci-dessus qu’elle consomme du zinc et dépose le cuivre.
Note : une pile à électrolyte simple peut également être représentée par 2 demi-piles. On
peut considérer cela comme un cas particulier de pile Daniell à 2 électrolytes identiques.

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2.7.2. Densité de l’électrolyte liquide (élément liquide)
Bien entendu, il ne peut s’agir d’une batterie sèche dont l’électrolyte n’est pas accessible.
Une mesure de densité signifie qu’il s’agit de batteries rechargeables et seulement de
celles présentant un électrolyte liquide, soit, dans notre application, les batteries plomb-
acide et Ni-Cd (ou potassium) acide.
La densité de tout liquide est le rapport entre le poids de celui-ci et le poids d’un volume
égal d’eau. L’acide sulfurique pur présente une densité de 1,835 parce qu’il pèse 1,835
fois plus que l’eau par unité de volume.
La densité de la solution électrolyte dans une batterie plomb acide varie entre 1,210 et
1,300 pour des batteries neuves et complètement chargées. Plus la densité est haute,
plus la résistance interne de l’élément est basse et plus le courant de charge admissible
est élevé. À mesure que l’élément se décharge, l’eau constituée dilue l’acide et la densité
diminue graduellement pour atteindre environ 1,150. L’élément est
alors considérée comme étant totalement déchargée.
La densité se mesure avec un densimètre à seringue, constitué en
son extrémité supérieure d’une poire en caoutchouc, un corps en
verre et un tube en caoutchouc au bout du corps en verre. Lors
des relevés avec le densimètre, la virgule est généralement omise.
Ainsi, une densité de 1,270 (plomb-acide) se lit simplement douze
- soixante dix. Une lecture au densimètre de 1210 à 1300 indique
une pleine charge, une demi-charge pour environ 1250 et une
complète décharge de 1150 à 1200.
Figure 23 : Densimètre
Ci-dessous l’utilisation du densimètre, dans le cadre d’un
programme de maintenance, que nous reverrons au paragraphe
concerné. Cette méthode vaut pour nos deux applications
liquides : plomb-acide et Ni-Cd Potassium (ou acide).
Le densimètre présenté est une ampoule de verre
équipée d’un flotteur.
Le flotteur est un tube de verre creux scellé en ses
deux extrémités et lesté en son fond, avec une échelle
sur le côté, calibrée en densité.
Pour tester un électrolyte, faire passer le liquide dans
le densimètre à l’aide de la poire d’aspiration. Prélever
assez d’électrolyte pour élever le flotteur du
densimètre.
Figure 24 : Exemple de densimètre

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Ne pas faire remonter de l’électrolyte au point de faire monter le flotteur dans la poire
d’aspiration. Le flotteur s’élève jusqu’à un certain point, fixé par la densité de l’électrolyte.
Si l’électrolyte contient une grande quantité de matière active, la densité en est
relativement élevée.
Le flotteur s’élèvera plus que si l’électrolyte ne contenait qu’une faible quantité de matière
active.
2.7.3. Recommandations pour la manipulation de l’électrolyte
Les simples étapes suivantes permettent de tester la batterie à l’aide d’un
densimètre :
Disposer d’une batterie pleinement chargée et débranchée.
Ne pas ajouter d’eau dans les éléments, même s’ils semblent vides.
Remplir et vider le densimètre 2 ou 3 fois avant de prélever un échantillon de
mesure.
Remplir le densimètre avec l’électrolyte. Prévoir une quantité suffisante
d’électrolyte dans le densimètre pour faire complètement flotter le flotteur.
Relever la mesure puis replacer l’électrolyte dans le même élément.
Vérifier tous les éléments de la batterie, en répétant les étapes ci-dessus.
Replacer les capuchons et nettoyer toute trace d’électrolyte éventuellement
renversé.
Travailler avec un électrolyte acide (préparation) : (sécurité en matière de batteries)
Vérifier que des solutions de neutralisation sont à disposition immédiate.
Ajouter lentement et soigneusement de l’acide concentré à l’eau (Ajouter de l’eau
à de l’acide cause une projection d’acide et un violent dégagement de chaleur).
Agiter le mélange à l’aide d’une baguette en verre ou en plastique (téflon).
Vérifier que l’électrolyte est stocké dans un récipient approprié (récipient en verre,
polyéthylène ou polypropylène par exemple).
Ne pas mettre en contact du métal (hormis le plomb) avec l’acide ou l’électrolyte.
Laisser refroidir l’électrolyte avant d’en mesurer la densité.

Équipements
Les batteries
Dispersion accidentelle d’électrolyte : (sécurité en matière de batteries)
Consulter les fiches de sécurité (FDS) appropriées pour des instructions en matière de
confinement, nettoyage et élimination des écoulements d’électrolyte.
Si de l’électrolyte est renversé :
Passer tout habillé sous la douche en cas de contact (ou suspicion de contact) de
l’électrolyte avec une partie du corps.
Jeter de la terre de diatomée ou du sable (mais PAS de sciure) sur la zone
contaminée. La terre de diatomée est une substance non toxique, sans risque,
issue de fossiles concassés, de micro-organismes d’eau douce et marins.
Réduites à l’état de poudre fine, les particules observées au microscope
ressemblent à du verre pilé.
Ôter la terre ou le sable une fois que l’acide/électrolyte a été absorbé.
Nettoyer la zone avec une solution de carbonate de sodium courant.
Éliminer en toute sécurité les matières contaminées.
2.8. TERMINOLOGIE DES BATTERIES
IDENTIFICATION D’UNE BATTERIE
L’identification se fait par le nom des métaux de l’anode et de la cathode puis (s’il faut le
spécifier) par le type d’électrolyte.
Lorsque l’on parle de batterie plomb acide, on devrait plutôt dire : plomb-plomb-acide,
mais l’on comprend de façon implicite que les 2 électrodes sont en plomb.
Accumulateur :
Générateur électrochimique rechargeable.
Pile à dépolarisation par l'air (Saft) :
Pile composée d’une électrode de zinc. Ces piles sont à forte capacité, sans maintenance
ou presque et elles sont principalement employées dans les applications traditionnelles
telles que la signalisation ferroviaire, les portes électriques et les bouées dans les ports.
Intensité/Ampère heure (Capacité)
L’unité est l’ampère heure (Ah) (mAh = milliampère heure ou 1/1000 ampère par heure)
Cette grandeur indique la quantité d’énergie qu’une batterie peut fournir sous tension
nominale et permet de déterminer le temps pendant lequel la batterie pourra faire
fonctionner le dispositif qu’elle alimente.
En général, plus la capacité en Ah est élevée, plus longue est la durée d’utilisation. Un
dispositif qui consomme 100 mAh fonctionne environ 10 heures sur une batterie de
1000 mAh (ou 1 Ah).

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Les batteries
Batterie :
Ensemble des générateurs électrochimiques, constitués d’éléments non rechargeables ou
d’accumulateurs rechargeables.
Élément de batterie
Cellule simple de batterie, regroupée en général avec d’autres pour former des groupes
de batteries de tensions différentes. Exemple : six éléments de 1,2 V reliés en série dans
un bloc batterie forment une batterie de 7,2 V.
Charge
Processus de fourniture d’énergie à une batterie. Nécessaire lorsque la tension de la
batterie descend au-dessous d’un certain seuil.
Conditionnement
Processus répété de charge et décharge complète d’une batterie, visant à éviter la baisse
de tension ou l’effet « mémoire » ou encore à restaurer une capacité perdue.
Cycle
Processus de charge et décharge d’une batterie en utilisation normale ou par
conditionnement.
Décharge
Libération d’énergie par la batterie.
Densité d’énergie (massique ou volumique)
Densité (ou volume) d’énergie d’une batterie, exprimée en watt heure par kilogramme
(Wh.Kg) ou watt heure par litre (Wh.l), correspondant à la quantité d’énergie stockée par
unité de masse (ou volume) d’une batterie.
Effet mémoire (baisse de la tension nominale)
Terme décrivant la perte de capacité et la chute subséquente de tension dans la batterie
du fait des charges et décharges constantes ou répétées, d’où une perte de durée de vie.
Durée de stockage
Durée pendant laquelle l’élément de batterie peut être stockée sans perdre plus de 10%
environ de sa capacité originelle. La capacité de la pile ou batterie est son aptitude à
fournir une intensité donnée au circuit qu’elle alimente.
La perte de capacité d’un élément stocké est principalement due à l’assèchement de son
électrolyte (élément liquide) et à des actions chimiques qui modifient les matières
contenues dans l’élément. Dans la mesure où la chaleur favorise ces deux actions, la
durée de stockage d’un élément peut être allongée par un stockage en lieu frais et sec.
Certains fabricants fournissent des éléments chargés et sec (sans électrolyte) qui peuvent
être stockés pendant une durée relativement longue. (Voir les recommandations du
fabricant dans ce cas)
Un glossaire plus détaillé de la terminologie des batteries (en anglais) est proposé dans le
MPower Battery Technology Glossary : source Eurobat.

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Les batteries
2.9. DENSITÉ D’ÉNERGIE
La densité d’énergie est la mesure de la quantité d’énergie, par unité de poids ou de
volume, qui peut être stockée dans une batterie. Ainsi, pour un poids ou un volume donné,
un élément à densité d’énergie supérieure pourra stocker plus d’énergie ou encore, pour
une capacité de stockage donnée, un élément à densité d’énergie supérieure sera plus
petit et plus légèr. Le schéma ci-dessous présente quelques exemples typiques.
Figure 25 : Densité d’énergie relative de certaines chimies courantes des batteries
En général les plus grandes densités d’énergie sont obtenues à l’aide de produits
chimiques plus réactifs. L’inconvénient en est que les produits chimiques plus réactifs
tendent à être instables et peuvent nécessiter des mesures de sécurité spécifiques. La
densité d’énergie dépend également de la qualité des matières actives employées pour la
construction des éléments, dont les impuretés limitent les capacités des éléments.
C’est pourquoi les éléments de différents constructeurs présentant les mêmes chimies et
la même construction peuvent présenter différentes énergies et performances de
décharge.
Il est à noter qu’il y a souvent une différence entre les éléments cylindriques et
prismatiques. Cela est dû au fait que la densité d’énergie nominale ne se réfère pas en
principe aux seuls produits chimiques mais aux matières des contenants et aux
connexions de la batterie.
La densité d’énergie est ainsi influencée ou limitée par les fonctionnalités de construction
de la batterie, ci-après.

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Les batteries
2.10. EXERCICES
1. Quel potentiel est (théoriquement) le
plus élevé ?
‰ V1
‰ V2
2. Quel schéma représente un élément de
batterie ?
‰ A
‰ B
‰ Les 2
R
r1
i
V1
A
R
i
V2
r2
B
3. Quel schéma représente une batterie ?
‰ A
‰ B
‰ Les 2
4. Une voiture est équipée d’une batterie 50 Ah, parfaitement chargée. Pendant 2 heures,
j’en laisse les phares allumés, d’une puissance de 60 W, décharger la batterie (on
admet que la tension reste constante, 12 V). Combien de temps faudra-t-il pour
recharger cette batterie avec un courant de charge égal à 0,1 fois la capacité de la
batterie (C/10 A ou 0,1C A) ?
‰ 0.5 heure
‰ 1 heure
‰ 2 heures
‰ 5 heures
‰ 10 heures

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Les batteries
5. Calculer la tension « théorique » de cet assemblage en série
= ……………. V
6. Si je place plusieurs éléments en parallèle j’augmente
‰ La capacité
‰ La tension
‰ La capacité et la tension
7. Si je place plusieurs éléments en série j’augmente
‰ La capacité
‰ La tension
‰ La capacité et la tension
8. Pour obtenir un courant supérieur, la batterie présente des éléments en
‰ parallèle
‰ série
9. Trois mêmes éléments placés en parallèle (90 mA) produisent un courant de charge de
‰ 270 mA
‰ 90 mA
‰ 30 mA

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Les batteries
10.La tension totale de sortie d’une batterie à 3 éléments placés en parallèle est
‰ La même que celle d’un élément seul
‰ Différente
11.Cette configuration est-elle possible ? (polarités mélangées)
‰ Oui
‰ Non
12.Une batterie sèche présente une tension en circuit ouvert ou à vide de 100 V. Si la
résistance interne est de 100 Ω et que la résistance de charge est de 600 Ω,
déterminer la tension VL entre les bornes de sortie.
La batterie est marquée 100 V
parce que sa tension en circuit
ouvert est de 100 V. À vide, le
courant de charge est nul.
Si l’on ajoute une résistance de
charge RL, le circuit est fermé et
le courant de charge se calcule
par la loi d’Ohm
VL = …………

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Les batteries
3. CONSTRUCTION ET TECHNOLOGIE DES BATTERIES
3.1. COMPOSANTS
Les composants de base des batteries sont les électrodes et les bornes de connexion au
circuit externe, un séparateur pour maintenir les électrodes ‘séparées’ et éviter tout court-
circuit, l’électrolyte qui assure le transport des ions chargés entre les électrodes et enfin un
boîtier qui contient les produits chimiques et maintient les électrodes en place.
3.1.1. Boîtier
Le boîtier peut être tout simplement un contenant robuste en verre, plastique ou métal,
isolé des électrodes et qui ne fait pas partie du circuit électrique de la batterie. Les
batteries plomb acide présentent typiquement de tels contenants. Un boîtier métallique
peut cependant servir d’électrode et permettre une économie de matériaux, comme pour
les piles Leclanché (zinc-carbone).
3.1.2. Électrodes
Le matériau des électrodes peut être une grille métallique rigide, comme pour les batteries
plomb acide. La matière active de l’électrode peut également être imprégnée ou revêtue
d’une feuille métallique spirale roulée qui agit simplement comme collecteur de courant,
comme dans de nombreuses batteries à base de nickel et de lithium.
3.1.3. Séparateur
Le séparateur peut être une entretoise mécanique, de la fibre de verre ou encore un film
flexible plastique fait de nylon, polyéthylène ou polypropylène. Il doit être poreux et très fin,
pour permettre aux ions chargés de passer sans encombre et doit occuper un espace
minimum afin de laisser le maximum d’espace disponible aux matières actives.
Dans le même temps, il doit être résistant à la pénétration des amas ou dendrites
apparaissant sur les plaques d’électrode ou à toute contamination du revêtement de
l’électrode afin d’éviter les éventuels courts-circuits entre les électrodes.
Ces caractéristiques doivent persister aux fortes températures de fonctionnement quand le
ramollissement de la matière plastique peut boucher les pores ou en réduire la résistance
à la pénétration. La rupture ou pénétration du séparateur est un domaine de faiblesse
potentielle pour les batteries grande puissance. Ainsi, des matériaux spéciaux de
séparateur ont été développés pour résoudre ce problème.

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Les batteries
3.1.4. Bornes
Il existe plusieurs façons de se brancher aux électrodes, depuis les contacts à ressort, les
câbles ou cosses, jusqu’aux plots mécaniques. L’objectif principal est que les bornes
puissent faire passer le courant maximum sans surchauffe, de la borne elle-même ou de
l’électrode qui y est reliée. Ceci nécessite une conception soignée de la connexion aux
électrodes pour faire passer le courant dans la surface la plus large possible du matériau
de l’électrode afin de ne causer aucun point chaud.
Pour les batteries industrielles (dans les ASI), le serrage des cosses, des boulons sur les
bornes et toutes les interconnections doit s’effectuer précautionneusement et avec une clé
dynamométrique. Se référer au manuel d’entretien du fabricant pour obtenir les
instructions nécessaires en ce domaine.
3.1.5. Électrolyte
Très longtemps, les électrolytes se présentaient sous forme aqueuse ou gélifiée (le
chapitre sur la maintenance présente l’entretien des électrolytes). Ont été développés
depuis lors des électrolytes polymères (polyélectrolytes) solides, non sujets aux fuites ou
déversements. Ils sont considérés comme étant plus sûrs en cas d’accident et ils
apportent en outre de nouveaux degrés de liberté dans la création de batteries, permettant
notamment des conceptions mécaniques adaptables aux espaces les plus singuliers. Les
polyélectrolytes sont typiquement employés dans les batteries au lithium.

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Les batteries
3.2. CONSTRUCTION INTERNE
De façon générale,
la tension de l’élément dépend de sa chimie et de la nature des métaux,
la capacité dépend du poids des matières actives,
l’intensité de courant maximale (ou puissance) dépend de la surface des
électrodes.
Dans une moindre mesure, les trois paramètres ci-dessus ainsi que les propriétés
thermiques dépendent de l’impédance interne de l’élément, elle-même dépendante de la
conductivité de l’électrolyte, la topologie et la résistance des composants sur le circuit
électrique.
Cependant, la taille, la forme et les matières employées ont également une influence sur
les performances électriques finales d’un élément de batterie.
3.2.1. Électrodes (Compromis puissance/énergie)
Pour une chimie de b particulière et dans l’espace disponible dans un boîtier particulier, la
performance peut être optimisée en matière de capacité ou de puissance.
L’augmentation de la surface des électrodes accroît le courant admissible de
l’élément. Ce dernier peut ainsi fournir plus de puissance et être chargé plus
rapidement.
L’augmentation de volume de l’électrolyte dans l’élément en accroît les capacités
de stockage d’énergie.
Le premier compromis se tient entre la surface des électrodes et le volume de
l’électrolyte qui peut être contenu dans le volume disponible dans le boîtier.
Les éléments grande puissance nécessitent des électrodes de grande surface ainsi
que des collecteurs de courant plus larges, qui emploient une plus grande part de l’espace
disponible dans un élément, déplaçant l’électrolyte et réduisant la capacité de l’élément.
La surface efficace d’une électrode peut être accrue sans en augmenter la taille
physique en en rendant la surface poreuse et en employant des matières à très fine taille
de particule. Cela peut augmenter la surface efficace des électrodes de 1 000 à 100 000
fois, permettant des débits supérieurs de courant.

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Les batteries
Les éléments grande capacité nécessitent de grands volumes d’électrolyte à placer
entre les électrodes. Le double effet produit en est la réduction de la capacité de charge
de l’élément. Tout d’abord, les électrodes doivent être plus petites et plus éloignées l’une
de l’autre afin de ménager de l’espace pour l’électrolyte supplémentaire et peuvent donc
transporter moins de courant. Enfin, du fait du volume supérieur de l’électrolyte, les
actions chimiques liées à la charge et la décharge sont plus lentes à se propager
totalement dans l’électrolyte pour mener à bien le processus de conversion chimique.
Par exemple, les éléments Lithium Ion optimisées en termes de capacité peuvent fournir
typiquement des pics de courants de 2C ou 3C sur de courtes périodes, tandis que les
éléments Lithium Ion optimisées en termes de puissance pourraient fournir des pics de
30C à 40C.
Quatre des constructions les plus courantes sont présentées ci-dessous. Au fil du temps,
plusieurs milliers de variantes de ces principes de base ont vu le jour pour différentes
sortes de chimies d’éléments.
Les éléments grande puissance comptent en principe des dispositifs spéciaux de sécurité.
(Cf. chapitre sécurité)
3.2.2. Électrodes de type aggloméré
Figure 26 : 2lémént (pile) zinc - carbone (Leclanché) – 1,5 V
Application avec ‘piles’ alcalines type AAA, LR 03 / AA, LR06 / C ou LR14... toutes en
1,5V
La construction dite en aggloméré est employée depuis plus d’un siècle, époque de
l’introduction de l’élément zinc- carbone (Leclanché) et encore aujourd’hui, avec les
récentes ‘piles’ alcalines qui mettent en œuvre une version plus complexe. Il s’agit d’une
construction cylindrique qui emploie une électrode interne cylindrique généralement en
forme de tige, immergée dans l’électrolyte qui est à son tour contenu dans une électrode

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Les batteries
externe en forme de godet cylindrique servant de manchon dans le conteneur de
l’élément. Une gaine de séparateur évite le contact entre les électrodes.
Le principal avantage de cet élément en est la simplicité. Elle stocke une grande quantité
d’électrolyte qui lui confère une capacité élevée et par conséquent une longue durée de
vie mais les surfaces des électrodes sont très petites, ce qui provoque une forte résistance
interne et limite le courant qu’elle peut fournir. Cependant, cette faible surface implique
également un faible taux d’autodécharge et ces éléments ont ainsi une longue durée de
stockage. Idéales pour nombre d’applications nécessitant des éléments primaires ou
piles, elles sont fabriquées en grande série.
3.2.3. Électrodes à plaques planes
Figure 27 : Éléments employés dans les batteries plomb acide
Les éléments à plaques planes généralement employés pour les batteries plomb acide ont
également une histoire et des développements de plus d’un siècle. Les électrodes sont
sous forme de plaques planes suspendues dans l’électrolyte, lui-même contenu dans un
boîtier approprié qui ne prend pas part, en général, à la réaction chimique.
Un séparateur entre les plaques évite à ces dernières de se toucher et d’être en court-
circuit. C’est ici aussi une construction simple, également employée dans différentes
sortes d’éléments. Le principal avantage en est que la batterie peut être conçue en très
grandes tailles, des plaques plus grandes procurant des courants supérieurs et des
boîtiers plus grands permettant de grandes capacités de stockage.

Équipements
Les batteries
3.2.4. Électrodes spiralées (construction enroulée)
Figure 28 : Pile LG cylindrique spiralée
Pour obtenir un courant admissible supérieur, il faut augmenter la surface active des
électrodes. Cependant, la taille du boîtier impose des limites à la taille des électrodes qu’il
peut contenir. Une façon d’accroître la surface d’électrode est de fabriquer les électrodes
et le séparateur à partir de longues bandes de feuilles et de les rouler en forme spiralée ou
cylindrique, ce qui donne des éléments à très faible résistance interne.
L’inconvénient est que dans la mesure où les électrodes prennent plus de place dans le
boîtier, il reste moins de place pour l’électrolyte et par conséquent la capacité de stockage
d’énergie de l’élément est réduite.
Cette construction est très répandue pour les accumulateurs.
L’exemple ci-dessus présente un élément lithium-ion, mais cette technologie est
également employée pour les accumulateurs Ni-Cd, Ni-MH et quelques batteries plomb
acide conçues pour des applications à fort débit.
La construction spiralée n’est pas limitée aux formes cylindriques. Les électrodes peuvent
être formées sur un mandrin plat afin d’obtenir une forme aplatie qui peut servir pour les
boîtiers prismatiques. Les boîtiers peuvent être fabriqués en aluminium ou en acier.
Cette construction est parfaitement bien adaptée pour l’automatisation de la production.

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