Batteries gel vs. batteries lithium-ion : une comparaison des systèmes de stockage d’énergie

Le marché des centrales électriques stationnaires offre un large éventail d'options de stockage d'énergie. Parmi celles-ci, on trouve l'air comprimé, les condensateurs, les volants d'inertie, les batteries rechargeables et l'air comprimé. Chaque option présente ses propres avantages, en fonction de son utilisation et de son application. Nous allons comparer ci-dessous deux options différentes. Batterie chimie des batteries : lithium-ion et plomb-acide.

Figure 1 : Variables de comparaison des types de batteries

Actuellement, le secteur est dominé par les batteries au nickel et au plomb. Cependant, les batteries au nickel sont progressivement abandonnées en raison de leur impact environnemental négatif et de leur coût élevé. De ce fait, les batteries au plomb s'imposent comme la principale source d'énergie, car elles sont plus économiques et plus faciles à fabriquer. Un autre acteur important fait son entrée sur le marché : la technologie lithium-ion, plus connue pour sa portabilité et son application aux petites machines. Au fil des ans, le lithium-ion s'est progressivement imposé comme l'un des types de batteries les plus performants, même pour les machines de grande taille. En effet, malgré un coût initial plus élevé, il est plus sensible aux variations de température, offre un volume et un poids réduits, et son entretien est relativement moins onéreux.

Figure 2 : Types de batteries rechargeables
La figure 2 illustre la place des batteries lithium-ion et plomb-acide dans le domaine des batteries rechargeables.

Informations de base sur les batteries
Batteries au plomb-acide

Les batteries au plomb existent depuis longtemps. En effet, ce type de batterie est utilisé depuis plus d'un siècle. Lorsqu'elles sont complètement chargées, la cathode et l'anode présentent un potentiel électrique de 2 V. Lors de la décharge, les électrons circulent à travers la charge. Simultanément, les réactions chimiques internes à l'interface entre les électrodes et l'électrolyte contribuent à maintenir l'équilibre des charges. La figure 3 illustre l'état chimique d'une batterie au plomb lorsqu'elle est complètement chargée, ainsi que les phénomènes qui se produisent lors de la décharge.

Figure 3 : États de charge de l'acide plomb-acide
Les batteries au plomb-acide se divisent en deux grandes catégories : les batteries à électrolyte liquide et les batteries étanches/régulées par soupape. Bien que leur composition chimique interne soit assez similaire, leur conception diffère. Contrairement aux batteries étanches/régulées par soupape, les batteries à électrolyte liquide nécessitent un entretien régulier de l’électrolyte, une ventilation adéquate et une position verticale pour éviter les fuites.
Ces différences montrent que, bien que les batteries au plomb-acide à électrolyte liquide soient plus abordables, leur complexité et leurs coûts annexes rendent les batteries étanches/régulées par soupape plus intéressantes. Ces dernières se divisent en deux grandes catégories : les batteries gel et les batteries AGM (Absorbed Glass Mat). Dans les premières, l’électrolyte est transformé de liquide en gel grâce à un agent épaississant. Dans les secondes, l’électrolyte liquide est maintenu par une matrice de verre. La principale différence entre les deux réside donc dans le mode de confinement de l’électrolyte.
Les batteries au plomb-acide, qu'elles soient à électrolyte liquide ou étanches (à régulation par soupape), présentent des cycles de décharge superficiels et profonds. Les batteries étanches (à régulation par soupape) utilisées pour l'éclairage, l'allumage et le démarrage automobile sont des exemples de batteries à décharge superficielle. Ce type de batterie nécessite la fourniture d'impulsions de forte puissance pendant une courte durée. Les batteries à décharge profonde, quant à elles, sont davantage utilisées dans les applications stationnaires. Grâce à leur faible taux de décharge sur une longue période, elles constituent un choix plus pratique.

Batteries lithium-ion
Le concept de la batterie lithium-ion remonte aux années 1970, mais son adoption à grande échelle n'a débuté que dans les années 1990. Dans ce type de batterie, les ions lithium chargés circulent alternativement entre l'anode et la cathode. Ce mouvement de va-et-vient se produit lors des cycles de charge et de décharge. La figure 4 illustre une réaction de type lithium-ion.

Figure 4 : Réaction des ions lithium
La géométrie de l'encapsulation, ainsi que les différences de composition chimique entre l'anode, la cathode et l'électrolyte, influent fortement sur les performances de la cellule. Généralement, la composition chimique la plus modifiée est celle de la cathode. On la retrouve notamment dans les termes NCM, NCA, cobalt, manganèse et LPF. En général, environ 90 % des anodes des batteries lithium-ion sont en graphite. Parfois, du silicium et du titane sont également utilisés pour améliorer la puissance et la durée de vie de la batterie. Cependant, ces matériaux sont plus coûteux que les versions plus simples.
Dans ce type de batterie, l'électrolyte est généralement liquide. Cependant, pour les cellules lithium-polymère, l'électrolyte est absorbé par la membrane polymère. Cette solution est parfois préférable, car elle permet aux fabricants d'utiliser un boîtier souple plutôt qu'un boîtier métallique pour l'électrolyte liquide. Cette différence influe sur les performances de la cellule lithium-ion.
Comme mentionné précédemment, les batteries lithium-ion peuvent présenter plusieurs variantes chimiques. On peut toutefois les classer en deux groupes principaux : les oxydes métalliques (NCM, NCA, cobalt et manganèse) et le phosphate de fer lithié (LFP, LiFePO4). Le tableau ci-dessous met en évidence les principales différences entre ces deux groupes.

Tableau 1 : Différences entre le phosphate de lithium et les oxydes métalliques
Quelle que soit leur composition chimique, toutes les cellules lithium-ion sont à décharge profonde. Cela signifie qu'elles peuvent être déchargées et rechargées complètement. La durée de vie de ce type de cellule est généralement plus longue si le taux de décharge ne dépasse pas 80 % de sa capacité.