Comment la conception des plaques de cellules contribue à faire évoluer une technologie de batterie bien établie
Il est étonnant de penser que l'histoire des batteries au plomb-acide à électrolyte liquide (FLA) à décharge profonde remonte à 150 ans, mais ces batteries restent aujourd'hui encore la solution d'alimentation la plus économique, la plus fiable et la plus durable. Le principe des plaques de plomb immergées dans un électrolyte acide semble assez simple, mais de petites améliorations apportées à leur conception continuent de faire de la batterie FLA un choix très prisé dans de nombreux secteurs d'activité.
Amélioration des plaques de grille
Repousser les limites d’une technologie centenaire pour répondre aux exigences des équipements modernes constitue une étape importante pour les fabricants de batteries tels que U.S. Battery. Alors que la demande en matière d’autonomie accrue et de temps de recharge plus courts ne cesse de croître, les fabricants doivent continuer à explorer des moyens d’améliorer la composition chimique des batteries FLA. U.S. Battery a constaté que les limites de la conception se manifestaient par la corrosion inévitable des plaques de grille des cellules positives de la batterie.
Ces plaques de grille étaient généralement fabriquées à partir d'un alliage de plomb recyclé, un métal mou composé de plomb et d'antimoine, un mélange de plomb et d'autres métaux ajouté pour améliorer la résistance et la conductivité électrique.
Grâce à des essais, U.S. Battery a découvert que l'ajout de sélénium au mélange plomb-antimoine affinait les grains de plomb à l'échelle microscopique. Cela a permis d'obtenir un alliage de plomb plus fin, présentant une résistance mécanique et une résistance à la corrosion supérieures à celles des alliages plomb-antimoine classiques. Ces améliorations apportées à l'alliage des grilles ont permis d'éliminer la corrosion des grilles positives, qui constituait l'un des principaux modes de défaillance des batteries FLA, et ont contribué à prolonger la durée de vie cyclique de la batterie.
Culture de cristaux de sulfate de plomb
Une batterie est essentiellement composée de plaques positives et négatives qui, lorsqu’elles sont immergées dans un électrolyte, produisent un courant électrique. Les matériaux actifs présents sur les plaques positives ont été constamment améliorés au fil des décennies. La plupart sont désormais constitués d’un mélange d’oxyde de plomb, d’acide sulfurique et de divers additifs, formant une pâte qui est appliquée sur la grille en alliage de plomb puis séchée pour former une cellule de batterie.
Ce procédé, appelé « Hydroset », est un processus de durcissement et de séchage utilisé dans la fabrication des plaques de batteries au plomb-acide. Historiquement, les électrodes positives ont été traitées selon ce procédé, qui vise à faire croître des cristaux de sulfate de plomb tétrabasique (TTBLS) sur les plaques afin de leur conférer une résistance et de leur permettre de supporter les dilatations et contractions constantes des matériaux actifs lors des cycles normaux de charge et de décharge de la batterie. Ce procédé de croissance cristalline présentait des limites quant à sa capacité à contrôler la gamme de tailles des cristaux de TTBLS, ce qui entraînait des tailles inégales entre les cristaux. La croissance cristalline dépendait de nombreux facteurs tels que le temps, la température, l’humidité, etc., de sorte que les tailles des cristaux de TTBLS finis étaient toujours imprévisibles. Cela était considéré comme un facteur limitant l’autonomie globale de la batterie sur une seule charge, le temps nécessaire pour atteindre une charge complète et la durée de vie globale de la batterie.
Les ingénieurs d’U.S. Battery ont travaillé sur des méthodes visant à améliorer le procédé Hydroset en y introduisant des additifs d’ensemencement cristallin. Cela a permis de modifier la large gamme de tailles de cristaux, favorisant ainsi une croissance mieux contrôlée jusqu’aux niveaux souhaités. La possibilité de contrôler de manière uniforme la taille des cristaux dans la structure TTBLS s’est traduite par une capacité initiale accrue, une montée en puissance plus rapide jusqu’à la capacité nominale, une capacité de pointe plus élevée et des performances de charge améliorées avec un large éventail de technologies modernes de chargeurs de batteries. U.S. Battery a baptisé ce procédé « Xtreme Capacity » et l’a intégré à l’ensemble de sa gamme de batteries à décharge profonde FLA.
Matériaux organiques avancés
D’autres améliorations ont été apportées grâce à l’ajout de matériaux organiques, tels que des additifs à base de carbone (notamment du graphite de pointe, du graphène et des nanocarbones), à une meilleure capacité d’acceptation dynamique de la charge et à une sulfatation contrôlée dans les plaques négatives des batteries FLA à décharge profonde. Les additifs à base de carbone ont également permis d’empêcher la tendance naturelle du matériau actif négatif à se rétracter ou à s’agglomérer au cours des cycles de charge-décharge, ce qui réduisait la capacité et la durée de vie de la batterie.
Les progrès récents réalisés dans le domaine de ces matériaux à base de carbone ont ouvert de nouvelles perspectives pour pallier plusieurs limites de performance des batteries au plomb-acide FLA. L'une d'entre elles concerne les applications de stockage d'énergie, où la charge imprévisible issue de l'énergie solaire, éolienne et d'autres sources d'énergie renouvelables a permis des avancées en matière de fiabilité et de capacité de stockage d'énergie.
Une source d'énergie viable
Les améliorations apportées au fil des décennies aux batteries FLA à décharge profonde continuent d'en faire une source d'énergie viable pour de nombreux secteurs d'activité. Avec un entretien et des soins appropriés, les batteries FLA conviennent aux entreprises et aux particuliers soucieux de leur budget et s'avèrent utiles dans les situations où le poids n'est pas un facteur déterminant. Dans ces cas-là, la batterie FLA moderne présente un coût initial moindre, s'est révélée être une technologie fiable, est recyclable à près de 100 % dans le cadre d'initiatives écologiques et est très robuste.