Pourquoi les piles sont-elles si nombreuses et si variées ?

Wesley Chang, Université de Drexel

Si vous avez regardé dans votre tiroir dernièrement, vous avez peut-être remarqué les différentes formes, tailles et types de piles qui alimentent vos appareils électroniques. Tout d’abord, il y a les piles boutons rondes et non rechargeables pour vos montres et vos petits objets. Il y a aussi les piles cylindriques AA et AAA pour les calculatrices, les horloges et les télécommandes. Enfin, il y a les piles rechargeables au lithium-ion pour les ordinateurs portables et les téléphones. Et n’oubliez pas la batterie au plomb de votre voiture.

Je suis un professeur qui étudie les batteries et l’électrochimie. Pour comprendre pourquoi les piles sont de tailles et de formes différentes et servent à de nombreux usages, il faut se tourner vers le passé, voir comment les piles sont nées et comment elles se sont développées au fil des ans.

Les premières piles ont été fabriquées dans les années 1800, et elles étaient assez simples. L’une des premières démonstrations consistait en une série de disques métalliques trempés dans de la saumure, dont le scientifique italien Alessandro Volta a découvert qu’ils créaient un courant électrique. La première batterie plomb-acide était constituée de quelques morceaux de plomb dans un bocal d’acide sulfurique. Les versions modernes ne sont pas très différentes. Elles sont simplement plus faciles à fabriquer et contiennent divers additifs pour améliorer les performances.

Dans tous les cas, les piles fonctionnent de la même manière : une différence de tension entre deux électrodes différentes produit un courant électrique, qui peut être déchargé pour alimenter un appareil. Les piles rechargeables peuvent ensuite inverser ce courant pour se recharger. À l’intérieur de la batterie, le courant électrique s’accompagne d’un flux d’ions à travers un liquide, l’électrolyte.

Le passage de chaque électron dans le courant s’accompagne du transport d’un ion dans l’électrolyte. Les électrodes qui peuvent stocker plus d’ions conduisent à des batteries qui peuvent contenir plus de charge et donc durer plus longtemps sur une seule charge. Les électrodes conçues pour stocker plus rapidement les ions permettent de créer des batteries qui se déchargent plus rapidement, pour des applications à haute puissance. Enfin, le fait de pouvoir charger et décharger plusieurs fois sans se dégrader permet d’obtenir des batteries à longue durée de vie.

Accumulateurs au plomb

La batterie plomb-acide a été la première batterie rechargeable inventée en 1859 par Gaston Plante, qui a expérimenté des plaques de plomb dans une solution acide et a découvert que le flux et le stockage du courant électrique pouvaient être inversés.

Une batterie plomb-acide doit être suffisamment grande pour fournir une charge suffisante pour démarrer une voiture. Elle doit également être utilisable dans les climats froids et durer de nombreuses années. L’électrolyte étant un acide corrosif, le boîtier externe doit être résistant pour protéger les personnes et les pièces de la voiture de tout dommage éventuel. Sachant tout cela, il est logique que les batteries plomb-acide modernes soient lourdes et volumineuses.

Piles alcalines

En revanche, les appareils ménagers tels que les calculatrices et les balances numériques peuvent se permettre d’utiliser des piles plus petites parce qu’elles ne nécessitent pas une charge importante. Il s’agit principalement de piles alcalines non rechargeables utilisées depuis des décennies. Les formats de piles standardisés sont AAAA, AAA, AA, C et D, ainsi que les piles bouton et les piles à monnaie, et bien d’autres encore. Les tailles sont liées à la quantité de charge qu’elles stockent – plus la pile est grosse, plus elle en stocke – et à la taille des appareils qu’elles alimentent.

Vous trouverez parfois des piles alcalines vendues sous forme rectangulaire, comme les piles 9 volts courantes, mais si vous ouvrez le boîtier extérieur, vous découvrirez qu’il s’agit simplement de quelques piles cylindriques connectées entre elles à l’intérieur. Les piles cylindriques existent depuis si longtemps et sont si largement utilisées qu’il n’est tout simplement pas logique pour les entreprises de fabriquer quelque chose de différent – cela nécessiterait un investissement pour changer leurs installations de fabrication, ce qu’elles préfèrent éviter.

Piles au lithium-ion

Les piles nickel-cadmium ont été les premières piles rechargeables largement utilisées pour l’électronique domestique et ont été populaires jusqu’à la fin du 20e siècle. Mais elles présentaient des inconvénients. Le cadmium est très toxique et les piles souffrent d’un « effet mémoire » qui réduit leur durée de vie.

Pendant de nombreuses décennies, le lithium a été étudié en vue d’une utilisation potentielle dans des piles rechargeables, en raison de ses propriétés uniques de métal léger qui stocke beaucoup d’énergie. Sony a commercialisé la première batterie lithium-ion en 1991.

L’entreprise a fabriqué des cellules cylindriques parce qu’elles étaient les plus faciles à fabriquer. Dans les années 1990, Sony fabriquait beaucoup de caméscopes et de cassettes, et disposait donc d’un grand nombre d’équipements pour la fabrication de rouleaux. Il était naturel de réutiliser cet équipement pour produire des rouleaux d’électrodes de batteries, qui sont fabriquées en coulant des films sur des feuilles de cuivre ou d’aluminium, puis en les enroulant pour former un cylindre « jelly roll ».

L’enveloppe épaisse de ces cellules cylindriques est mécaniquement résistante et, pour ajouter une couche supplémentaire de sécurité, elles sont dotées d’une soupape de sécurité. Très rapidement, ces premières cellules lithium-ion ont conquis le marché de l’électronique portable, en particulier les ordinateurs portables et les téléphones mobiles, parce qu’elles stockaient plus d’énergie et duraient plus longtemps que les piles rechargeables au nickel-cadmium.

Les facteurs qui façonnent les batteries

Les piles sont fabriquées dans certaines tailles et formes pour des raisons de coût et de fabricabilité, mais dans d’autres cas en raison de processus de fabrication hérités du passé. La demande du marché joue également un rôle.

Par exemple, les véhicules électriques n’ont décollé que lorsque Tesla a commencé à fabriquer des voitures utilisant des cellules de batterie lithium-ion cylindriques plutôt que les cellules rectangulaires en poche ou prismatiques utilisées par d’autres fabricants de véhicules électriques. Les cellules en pochette et les cellules prismatiques peuvent être serrées les unes contre les autres, mais comme les cellules cylindriques étaient déjà produites en masse pour l’électronique portable, Tesla a pu fabriquer des véhicules électriques moins coûteux dans les années 2010.

La forme et la taille que prendront les piles à l’avenir dépendent non seulement de la quantité d’énergie qu’elles stockent, mais aussi de l’économie du marché, c’est-à-dire de la facilité de fabrication de chaque type de cellule, du coût de fabrication et de l’utilisation qui en est faite. Ces facteurs sont un mélange d’innovation et d’histoire.

Wesley Chang, Professeur adjoint de génie mécanique et de mécanique, Drexel University

Cet article est republié de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l’article original. Traduction Enerzine.com