Découvrez ce dont une pile a besoin pour fonctionner et avoir une bonne longévité.
Lorsqu’une pile est correctement entretenue et que son utilisateur en prend soin, elle délivre en retour de bonnes performances et une bonne durée de vie. Il existe cependant des exceptions, où l’utilisation et l’entretien corrects n’apportent pas les résultats escomptés.

Comprendre les besoins de base d’une pile

Cette section explique quoi faire quand la pile est neuve, comment l’alimenter correctement et que faire lorsqu’elle n’est pas utilisée pendant un certain temps.
Difficile de prévoir la durée de vie d’une pile : certaines continuent à fonctionner parfaitement pendant des années, tandis que d’autres s’épuisent très rapidement. Charge incorrecte, forte décharge et exposition à la chaleur sont les pires ennemis de la pile. Bien qu’il existe des moyens de protéger une pile, les conditions idéales ne sont pas toujours réunies. Ce chapitre explique comment tirer le meilleur de nos piles.

Calibrage d’une nouvelle pile

Toutes les piles rechargeables ne livrent pas leur capacité nominale lorsqu’elles sont neuves, et nécessitent par conséquent un calibrage. Cela vaut pour la plupart des systèmes, à l’exception des piles lithium-ion, dont les fabricants affirment qu’elles n’ont pas besoin de calibrage. Néanmoins, de nombreux utilisateurs signalent des gains de capacité par le cyclage après un long stockage.
« Quelle est la différence entre le formatage et le calibrage ? Les deux visent à optimiser la capacité avec le cyclage. Le formatage termine le processus de fabrication qui se produit naturellement en cours d’utilisation lorsque la pile est en cours de cyclage. Le calibrage, de son côté, est un cycle de conditionnement qui est effectué pour améliorer les performances de la pile en cours d’utilisation ou après un entreposage prolongé. Le calibrage concerne principalement les piles à base de nickel.

Pile plomb-acide

Le formatage d’une pile plomb-acide s’obtient par l’application d’une charge, suivie d’une décharge et d’une recharge. Ce processus est effectué à l’usine et est complété à l’usage dans le cadre d’une utilisation régulière. Les experts conseillent de ne pas vider une nouvelle pile en la soumettant directement à une application très gourmande en énergie, mais d’augmenter progressivement la charge avec des décharges modérées, comme un athlète s’entraîne pour une course longue distance. Cette précaution peut cependant s’avérer impossible avec une pile de démarrage dans un véhicule et certaines autres utilisations.
Une pile plomb-acide neuve peut ne pas être entièrement formatée et atteint seulement son potentiel de pleine capacité après 50 à 100 cycles, et sa pleine performance, après 50 cycles. Le formatage se produit lors de l’utilisation ; le cyclage délibéré est déconseillé, car cela peut user inutilement la pile.

Les piles à décharge profonde sont à environ 85 % lorsqu’elles sont neuves et augmentent à 100 %, ou se rapprochent de la pleine capacité lorsqu’elles sont complètement formatées. Il arrive cependant que des valeurs aberrantes comme 65 % s’affichent lors d’un test avec un analyseur de pile. La question qui se pose alors est « est-ce que ces piles à faible rendement peuvent être restaurées et fonctionner aussi bien que leurs pairs après un formatage ? » Ce à quoi les experts répondent qu’elles vont s’améliorer légèrement, mais seront les premières à rendre l’âme.
La fonction d’une pile de démarrage est de fournir des courants de charge élevée pour démarrer le moteur et elles sont dotées de cette caractéristique à la sortie d’usine sans nécessiter de formatage ou de calibrage. À la surprise de nombreux automobilistes, la capacité d’une pile de démarrage peut descendre à 30 %, mais parvenir quand même à démarrer le moteur ; néanmoins, une nouvelle baisse peut à terme ne plus suffire au démarrage.

Pile nickel

Les fabricants conseillent d’effectuer une charge d’entretien sur une pile à base de nickel pendant 16 à 24 heures quand elle est neuve ou après une longue période d’entreposage. Cela permet aux cellules de s’ajuster les unes aux autres et de les amener à un niveau de charge égal. Une charge lente permet également de redistribuer l’électrolyte afin d’éliminer les taches sèches sur le séparateur qui se seraient développées par gravitation.
Les piles au nickel ne sont pas toujours entièrement formatées à la sortie d’usine. L’application de plusieurs cycles de charge/décharge dans le cadre d’une utilisation normale ou avec un analyseur de pile complète le processus de formatage. Le nombre de cycles nécessaires pour atteindre la pleine capacité diffère selon les fabricants de cellules. Les cellules de qualité fonctionnent conformément aux spécifications après 5 à 7 cycles, tandis que d’autres peuvent avoir besoin de 50 cycles ou plus pour atteindre des niveaux de capacité acceptables.

Le manque de formatage crée un problème lorsque l’utilisateur s’attend à ce que la pile neuve fonctionne à pleine capacité dès sa sortie de son étui. Les entreprises qui utilisent des piles pour des applications critiques doivent vérifier leurs performances à travers un cycle décharge/charge dans le cadre du contrôle qualité. Le programme de calibrage des analyseurs automatiques de piles applique autant de cycles que nécessaire pour atteindre la pleine capacité.
Le cyclage restaure également la capacité perdue quand une pile nickel a été inutilisée pendant quelques mois. Le temps d’entreposage, l’état de la charge et la température à laquelle la pile a été conservée déterminent la facilité de récupération. Plus l’entreposage est long et la température élevée, plus nombreux sont les cycles nécessaires pour lui rendre sa pleine capacité. Les testeurs de piles aident dans les fonctions de calibrage et garantissent l’atteinte de la capacité souhaitée.

Pile lithium-ion

Certains utilisateurs insistent sur le fait qu’une couche de passivation se développe sur la cathode d’une pile lithium-ion après une période de stockage. Egalement connue comme le film de protection d’interface (IPF), cette couche restreindrait le flux d’ions, provoquerait une augmentation de la résistance interne, et dans le pire des cas, conduirait à l’apparition d’une plaque de lithium. Le rechargement, et plus efficacement, le cyclage, devrait dissoudre cette couche et certains utilisateurs prétendent avoir amélioré la durée de fonctionnement de la pile après le deuxième ou troisième cycle sur un smartphone, quoique de petite taille.
Les scientifiques ne comprennent pas pleinement la nature de cette couche, et les quelques ressources publiées sur ce sujet ne spéculent que sur le fait que le retour de la performance avec le cyclage est relié à la suppression de la couche de passivation. Certains scientifiques nient catégoriquement l’existence de l’IPF, jugeant l’idée très spéculative et incompatible avec les études existantes. Quel que puisse être le résultat de la passivation de la pile Li-ion, il n’y a pas de parallèle avec « l’effet mémoire » des piles NiCd qui nécessitent un cyclage périodique pour empêcher une perte de capacité. Les symptômes peuvent sembler similaires, mais les mécanismes sont différents. L’effet ne peut être comparé à la sulfatation des piles plomb-acide.
Une couche bien connue qui se forme sur l’anode est l’interphase entre l’électrode négative et l’électrolyte (Solid Electrolyte Interphase ou SEI). La couche SEI est un isolant électrique, mais a une conductivité ionique suffisante pour permettre à la pile de fonctionner normalement. En réduisant la capacité, elle protège également la pile. Sans la couche SEI, la pile Li-ion pourrait ne pas offrir la même longévité.

La couche SEI se développe dans le cadre du processus de formation en usine, et les fabricants y apportent le plus grand soin, un travail bâclé pouvant entraîner une perte permanente de capacité et une augmentation de la résistance interne. Le processus comprend plusieurs cycles, des charges de maintien à des températures élevées et des périodes de repos qui peuvent prendre plusieurs semaines. Cette période de formation permet également un contrôle de la qualité et aide à la compatibilité des cellules.
Une oxydation de l’électrolyte se produit également sur la cathode. Cela entraîne une perte permanente de la capacité et augmente la résistance interne. Il n’existe aucune solution pour enlever la couche une fois formée, mais des additifs d’électrolyte réduisent son impact. Conserver une pile Li-ion à une tension supérieure à 4,10 V/cellule alors qu’elle est à une température élevée favorise l’oxydation de l’électrolyte. Une observation à l’usage montre que la combinaison de la chaleur et d’une tension élevée peut soumettre une pile Li-ion à une contrainte plus forte que celle causée par un cyclage intensif.

La pile lithium-ion est un système très propre qui ne devrait pas besoin de calibrage supplémentaire une fois qu’il quitte l’usine, ni ne requiert le même niveau de maintenance que les piles nickel. Un formatage supplémentaire ne fait que peu de différence parce que la capacité maximale est disponible dès le début (à l’exception peut-être un petit gain de capacité après un long stockage). Même une décharge complète ne parvient pas à augmenter sa capacité lorsque la pile est morte – une faible capacité est le signe d’une fin de la vie imminente. Une décharge/charge n’est utile que pour calibrer une pile « numérique », elle n’a aucun effet sur une « pile chimique ». La charge d’une pile Li-ion neuve durant 8 heures comme l’indiquent les instructions ne l’endommage pas, mais c’est une habitude dépassée héritée de l’époque des piles nickel.

Pile lithium non-rechargeable

La passivation est très utile pour l’entreposage de piles primaires au lithium, telles que la pile lithium-chlorure de thionyle (LTC). La passivation est une mince couche qui se forme dans le cadre d’une réaction entre l’électrolyte et l’anode en lithium ainsi que la cathode à base de carbone. (Notez que l’anode d’une pile au lithium primaire est le lithium et que la cathode est en graphite, l’inverse d’une pile Li-ion).
Sans cette couche, la plupart des piles au lithium ne pourraient pas fonctionner parce que le lithium provoquerait une autodécharge rapide et endommagerait rapidement la pile. Les scientifiques disent même que la pile exploserait sans la formation de couches de chlorure de lithium et que la couche de passivation est l’élément-clé de la capacité d’entreposage de la pile pendant 10 ans.

La température et l’état de charge favorisent l’accumulation de la couche de passivation. Une pile LTC complètement chargée est plus difficile à dépassiver après une longue période d’entreposage que celle qui a été maintenue à une faible charge. Bien qu’une LTC doive être conservée à des températures fraîches, la dépassivation fonctionne mieux lorsqu’elle est chaude, car la conductivité thermique accrue et la mobilité des ions aident au processus. ATTENTION : Ne pas surchauffer la pile.
La couche de passivation provoque un retard de tension lors de l’application d’une première charge à la pile. Le rétablissement de la tension des piles affectées par différents niveaux de passivation peut par conséquent être plus ou moins long.
Les piles LTC dans les appareils à très faible consommation de courant, tel qu’un capteur sur les voies de péage routier ou un compteur, peuvent développer une couche de passivation, et la chaleur favorise ce phénomène. L’impossibilité de produire des impulsions de courant élevé qui en résulte peut être résolue par l’addition d’un gros condensateur en parallèle avec la pile. La pile charge progressivement le condensateur et délivre les hautes impulsions quand c’est nécessaire. Le temps d’attente est consacré à recharger le condensateur.
Pour aider à la prévention contre la sulfatation pendant l’entreposage, certaines piles au lithium sont livrées avec une résistance de 36 kΩ pour servir de charge parasite. Le faible courant constant de décharge empêche la couche de devenir trop épaisse, mais cela réduit la durée de conservation. Après un entreposage de deux ans avec la résistance de 36 kΩ, les piles devraient encore avoir une capacité de 90 %. Une autre parade consiste à les relier à un appareil qui applique périodiquement des impulsions de décharge durant l’entreposage.
Toutes les piles primaires au lithium ne sont pas capables de fonctionner lors de leur installation dans un nouvel appareil ou lors de l’application d’une charge, car le courant peut être trop faible pour inverser l’effet. Il est également possible que l’équipement rejette une pile passivée à cause d’un état de charge faible ou d’une défectuosité. Ces piles peuvent être préparées avec un analyseur de pile en appliquant une charge contrôlée et en vérifiant le bon fonctionnement de la pile avant de l’utiliser.

Le courant de décharge requis pour une dé-passivation est un taux de 1C à 3C (1 à 3 fois de la capacité nominale). La tension de cellule doit récupérer jusqu’à 3,2 V lors de l’application de la charge ; le temps de service est généralement de 20 secondes. Le processus peut être répété, mais il ne devrait pas prendre plus de 5 minutes. Avec une charge de 1 C, la tension d’une cellule fonctionnant normalement devrait rester au-dessus de 3 V. Une chute en dessous de 2,7 V est signe de fin de vie.
Ces piles lithium-métal ont une haute teneur en lithium et doivent se plier à des contraintes plus strictes que les piles Li-ion de même tension lors de leur expédition. Du fait de leur haute énergie spécifique, une attention particulière doit être prise lors de la manipulation de ces cellules.

Précautions

Lors du chargement d’une pile plomb-acide avec surtension, une limitation de courant doit être appliquée pour protéger la pile. Réglez toujours la limite de courant au minimum et surveillez la tension de la pile et la température pendant la charge.
En cas de rupture, de fuite d’électrolyte ou toute autre cause d’exposition à l’électrolyte, rincez immédiatement. En cas de contact avec l’œil, rincez abondamment pendant 15 minutes et consultez immédiatement un médecin.
Portez des gants agréés pour toucher l’électrolyte, le plomb et le cadmium. En cas de contact avec la peau, rincez immédiatement et abondamment.