Pourquoi les batteries sont disponibles dans autant de tailles et de formes ?

Si vous avez récemment regardé dans votre tiroir utilitaire, vous avez peut-être remarqué les différentes formes, tailles et types de piles qui alimentent vos appareils électroniques.Il y a d’abord les piles bouton rondes et non rechargeables pour vos montres et petits objets.Il existe également les piles cylindriques AA et AAA populaires pour les calculatrices, les horloges et les télécommandes.Ensuite, vous disposez des batteries lithium-ion rechargeables dans vos ordinateurs portables et 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 batteries sont disponibles en plusieurs différentes tailles et formes – et servent à de nombreuses fins – regardez le passé, comment les batteries sont nées et comment elles se sont développées au fil des ans.

Les premières batteries ont été fabriquées dans les années 1800 et étaient assez simples.L'une des premières manifestations était une série de disques métalliques imbibés de saumure, qui, selon le scientifique italien Alessandro Volta, créait un courant électrique.La première batterie au plomb était constituée d'un quelques morceaux de plomb dans un pot d'acide sulfurique.Les versions modernes ne sont pas si différentes.Ils sont simplement plus faciles à fabriquer et contiennent divers additifs pour améliorer les performances.

Dans tous les cas, les batteries 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 batteries rechargeables peuvent ensuite inverser ce courant pour se recharger.À l’intérieur de la batterie, le courant électrique s’accompagne du flux d’ions à travers un liquide, l’électrolyte.

Le passage de chaque électron dans le courant s'accompagne du transport d'un ion à travers l'électrolyte.Les électrodes capables de stocker plus d’ions conduisent à des batteries capables de contenir plus de charge et donc de durer plus longtemps avec une seule charge.Les électrodes conçues pour un stockage plus rapide des ions conduisent à des batteries capables de se décharger plus rapidement, pour les applications à haute puissance.Enfin, pouvoir charger et décharger plusieurs fois sans se dégrader conduit à des batteries avec une longue durée de vie.

Batteries au plomb

La batterie au plomb 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 au plomb doit être suffisamment grande pour fournir suffisamment de charge pour démarrer une voiture.Il doit également être utilisable dans les climats froids et durer de nombreuses années.L’électrolyte étant un acide corrosif, l’enveloppe externe doit être résistante pour protéger les personnes et les pièces automobiles de tout dommage possible.Sachant tout cela, il est logique que les batteries au plomb modernes soient encombrantes et lourdes.

Piles alcalines

D’un autre côté, les appareils ménagers comme les calculatrices et les balances numériques peuvent se permettre d’utiliser des piles plus petites car elles ne nécessitent pas beaucoup de charge.Il s’agit principalement de piles alcalines non rechargeables utilisées depuis des décennies.Les tailles de cellules standardisées sont AAAA, AAA, AA, C et D, ainsi que les piles boutons et pièces de monnaie et bien d'autres.Les tailles sont liées à la quantité de charge qu’elles stockent – ​​plus la batterie est grosse, plus elle en contient – ​​et à la taille des appareils qu’elles alimentent.

Parfois, vous pouvez trouver des piles alcalines vendues sous forme rectangulaire, comme les piles ordinaires de 9 volts, mais ouvrir le boîtier extérieur et vous constaterez qu’il ne s’agit que de quelques cellules cylindriques reliées entre elles à l’intérieur.Les batteries cylindriques existent depuis si longtemps et sont si largement utilisées qu’il n’est tout simplement pas logique que les entreprises fabriquent autre chose : cela nécessiterait un investissement pour modifier leurs installations de fabrication, ce qu’elles préféreraient ne pas faire.

Batteries lithium-ion

Les piles au 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 ils avaient leurs pièges.Le cadmium est très toxique et les batteries souffraient d’un « effet mémoire » qui diminuait leur durée de vie.

Pendant de nombreuses décennies, le lithium a été étudié pour une utilisation potentielle dans les batteries rechargeables en raison de ses propriétés uniques en tant que métal léger qui stocke beaucoup d’énergie.Sony d'abord commercialisé la batterie lithium-ion en 1991.

L’entreprise fabriquait des cellules cylindriques car celles-ci étaient les plus faciles à fabriquer.Dans les années 1990, Sony fabriquait de nombreux caméscopes et cassettes et disposait donc de nombreux équipements pour fabrication roll-to-roll.Il était naturel de réutiliser cet équipement pour produire des rouleaux d’électrodes de batterie, fabriqués en coulant des films sur des feuilles de cuivre ou d’aluminium, puis en les enroulant pour former un cylindre « jelly roll ».

Le boîtier épais de ces cellules cylindriques est mécaniquement solide et, pour ajouter une autre couche de sécurité, ils disposent d'une soupape de surpression.Très rapidement, ces premières cellules lithium-ion ont conquis le marché de l’électronique portable, notamment pour les ordinateurs portables et les téléphones portables, car elles stockaient plus d’énergie et duraient plus longtemps que les batteries rechargeables au nickel-cadmium.

Facteurs qui façonnent les batteries

Les batteries 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 existants.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 cylindriques au lithium-ion plutôt que la pochette rectangulaire ou les cellules prismatiques utilisées par d’autres fabricants de véhicules électriques.Les cellules en poche et les cellules prismatiques peuvent être emballées étroitement ensemble, mais comme les cellules cylindriques étaient déjà produit en série pour l’électronique portable, Tesla a réussi à fabriquer des véhicules électriques à moindre coût dans les années 2010.

La forme et la taille des batteries à l'avenir dépendent non seulement de la quantité d'énergie qu'elles stockent, mais également de l'économie du marché : la facilité de fabrication de chaque type de cellule, le coût de leur fabrication et leur utilisation. pour.Et ces facteurs sont un mélange d’innovation et d’histoire.