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Un problème de batteries? (Nintendo 3DS)
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Un problème de batteries? (Nintendo 3DS)

La Rubrique du Docteur Sub n°3
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Par Subby kun - publié le
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Sélectionné par la rédaction

Les opinions et vues exposées dans les articles lecteurs ne reflètent pas forcément celles de la rédaction de Gameblog.

Pour ce troisième numéro de la rubrique du Docteur Sub, j'ai décidé de revenir sur le cas des batteries et de l'autonomie des consoles portables. Pourquoi ? Parce que la Nintendo 3DS défraie la chronique ces dernières semaines.

En effet, l'autonomie de celle-ci serait comprise entre 3 et 5 heures de jeu maximum (lorsque la 3D est utilisée). Cette annonce a choqué le grand public mais celle-ci était totalement prévisible et inévitable. Actuellement, la technologie des batteries peine à suivre le rythme infernal de nos envies technologiques.

Dans cet article, je vais donc revenir dans un premier temps sur la technologie des batteries, expliquer leur évolution, discuter de leur avenir proche et donner quelques conseils de conservation pour les plus attentionnés (conservateurs / collectionneurs ?) d'entre nous. Ensuite, je reviendrai sur le cas de la 3DS et le dilemme que tous les constructeurs doivent résoudre.

Qu'est ce qu'un accumulateur et comment fonctionne-t-il ?

Une batterie (ou accumulateurs électrochimiques pour les intimes) est constituée d'un ou plusieurs modules électrochimiques. Ceux-ci peuvent être disposés en série ou en parallèle en fonction des caractéristiques en courant/tension recherchées.

Chaque module est constitué de 4 éléments (Figure 1) : deux électrodes (positive et négative), un électrolyte et un séparateur.

Les électrodes vont permettre de stocker de « l'énergie » lors de la charge et de la restituer lors de la décharge. Cette charge/décharge va s'effectuer via des réactions d'oxydation-réduction (ou oxydoréduction). Les réactions d'oxydoréduction mises en jeu dans ce cycle charge/décharge sont aussi nombreuses et variées que les matériaux d'électrodes qui les constituent.

Ces réactions  chimiques réversibles ne sont possibles qu'en présence d'un électrolyte. Ce dernier assure une conduction ionique entre les deux électrodes. Le séparateur va jouer donc un double rôle : (1) éviter les courts-circuits en séparant les électrodes (2) être imperméable à l'électrolyte.  


Figure 1 : Représentation schématique d'un accumulateur électrochimique

Quelles sont les grandeurs physiques qui caractérisent un accumulateur ?

Pour les applications publiques, nous pouvons définir 5 grandeurs caractéristiques de nos accumulateurs : la puissance, l'énergie, la durée de vie, l'autodécharge et le temps de charge.

La puissance est dépendante de la tension (en Volts) de votre batterie. Celle-ci dépend du type de batterie et elle est généralement comprise entre 1 et 4V (pour nos consoles ou téléphones portables). L'énergie quant à elle, va dépendre de la capacité du système, (capacité = la quantité d'électricité stockée). Celle-ci  s'exprime généralement en  fonction de la masse (Ah/kg, ampère heure par kilogramme) ou du volume (Ah/m3, ampère heure par mètre cube). L'autonomie de votre console portable va directement dépendre de cette grandeur. Plus elle est importante et plus votre batterie pourra (à volume ou masse égale) délivrer de l'électricité.

La durée de vie correspond à la dégradation de votre batterie. Elle équivaut au nombre de cycles de charge et de décharge, que les batteries peuvent effectuer avant de perdre en général 30% de leur énergie (capacité). L'autodécharge, quant à elle, correspond à la décharge de votre batterie sans aucune utilisation. Elle peut survenir en quelques semaines ou quelques mois suivant les systèmes. Le temps de charge correspond, comme son nom l'indique, au temps en heures pour recharger totalement votre batterie. Ce temps va dépendre une nouvelle fois des matériaux utilisés et des conditions de sécurité lors de la recharge de la batterie. Une recharge trop rapide pouvant souvent provoquer une dégradation importante (surchauffe, risque d'explosion).

Quelles sont les grandes familles d'accumulateurs ?

Je me suis permis de détailler la structure d'un accumulateur car les propriétés de chaque batterie vont dépendre des matériaux utilisés.  Pour faire très simple, trois grandes familles de batteries sont sur le marché grand public : les batteries au plomb, les batteries à base de nickel et celles à base de lithium.

Bien, bien… maintenant que vous avez les éléments matériels et techniques, attaquons-nous à l'historique pour mieux comprendre l'évolution de batteries et leur limitation actuelle. La technologie des batteries a commencé avec les batteries au plomb/acide. Je pense que tous les conducteurs en ont déjà entendu parler, il s'agit des batteries automobiles. Leur énergie est la plus faible des technologies actuelles (30 à 50 Wh/kg). Les accumulateurs à base de nickel (Ni-Cd et Ni-MH) ont été utilisés pendant de nombreuses années dans les équipements portatifs. Elles représentent la majorité des « piles rechargeables » actuellement dans le commerce. Les défauts sont multiples : elles possèdent une tension limitée à 1,2V, une autodécharge relativement élevée (20 à 30% par mois) et elles souffrent d'une drôle de maladie : « l'effet mémoire ». J'y reviendrai plus tard dans les conseils de conservation.


Figure 2 : Accumulateurs classiques à base de Ni-MH que nous pouvons trouver dans le commerce

Citons enfin la technologie des batteries au lithium. Elle se décline sous diverses formes : Li-ion (lithium ion), Li-Po (lithium ion polymère), Li-PO4 (lithium phosphate) ou LMP (lithium metal polymer). Les accumulateurs Li-ion sont les batteries actuellement utilisées pour les consoles portables. Elles présentent les meilleures caractéristiques en termes d'énergie (100 à 200 Wh/kg) et de puissance (jusqu'à 1500 W/kg). Leur amélioration technologique se réduit progressivement ces dernières années. En parallèle, un très grand nombre d'études est actuellement en cours sur les autres technologies lithium (cf liste ci-dessus). Malheureusement, pour l'ensemble de ces technologies, les énergies obtenues sont plus faibles que les batteries Li-ion actuelles. Certains chercheurs pensent que le salut pourrait provenir des batteries Li-air. Elles possédent une énergie massique (Wh/kg) 10 fois supérieure mais en contre partie, une puissance spécifique (W/kg) 10 fois inférieure à celles des batteries Li-ions actuelles. De plus, cette technologie n'est pas encore au point sur de nombreux détails : elles souffrent d'une forte corrosion (réduisant fortement leur durée de vie), des filtres encombrants doivent être installés afin de garantir un air très pur pour leur fonctionnement. Enfin,  les modèles rechargeables commencent à peine à être au point.


Figure 3 : Accumulateur classique à base de Lithium ion que vous retrouvez dans l'ensemble de vos consoles, téléphones portables ou appareils photo numériques

Les perspectives envisagées sur les technologies actuelles ne laissent pas présager un bel avenir. Alors, où est le sauveur ? Un grand nombre de recherches sont actuellement lancés sur un hybride : la batterie Ni-Li (Nickel Lithium). Sur le papier, elles pourraient offrir des énergies 5 fois supérieures pour des puissances équivalentes. Mais les études sur ce type de batteries viennent à peine de débuter et je crois qu'il va falloir attendre 4-5 ans au minimum avant d'assister à leur industrialisation. Attention toutefois, cette technologie risque de combiner aussi de nombreux désavantages (effet mémoire, formation de dendrites) limitant leur durée de vie.

Comment conserver efficacement l'autonomie de vos batteries ?

Maintenant, je vais vous donner des conseils afin de préserver vos batteries de consoles portables. A tous ceux qui pensent : « Pour bien préserver une batterie, il faut la décharger et la recharger à fond à chaque utilisation », je vais briser des idées reçues.

Les batteries Ni-Cd et Ni-MH

Chaque type de batteries va avoir un comportement différent. Il est donc important de bien différencier les batteries à base de nickel (Ni-Cd/Ni-MH) des batteries Li-ion. Pourquoi ? Parce que la phrase ci-dessus ne s'applique en réalité qu'à la technologie Ni-Cd (Ni-MH en souffre parfois également). En effet, ces batteries souffrent d'un phénomène qui se nomme « l'effet mémoire » :

Premièrement, ces appareils sont munis d'un système de mesure de la tension  afin de stopper l'alimentation lorsque les batteries sont vides. Cette sécurité évite la destruction irréversible de l'accumulateur par décharge profonde.

Deuxièmement, l'accumulateur Ni-Cd possède une électrode de cadmium, composée de petits cristaux. Dans certaines conditions, on observe un accroissement de la taille des cristaux qui entraine la diminution de la surface active du système (entre l'électrode et l'électrolyte) et donc de ses performances. En particulier, on observe une baisse de tension de la partie dégradée de l'électrode passant d'une tension de 1,2V (valeur normale d'utilisation) à 1,08V.

Lors de l'utilisation, l'énergie sera d'abord prélevée dans la partie présentant la tension la plus élevée et tout paraîtra normal. Lorsque cette partie sera épuisée, on utilisera l'énergie de la partie dégradée, le seuil de tension passera alors brutalement de 1,2V à 1,08V.

Combiné au système de sécurité précédemment décrit, je pense que vous avez compris le problème : ce changement de tension va rapprocher le système au seuil minimum de fonctionnement de l'appareil, passer en dessous et provoquer l'arrêt de la batterie.

Vu de l'utilisateur, votre batterie va durer moins longtemps, jusqu'à être inutilisable alors que celle-ci pourrait fonctionner avec une tension inférieure.

Source Wikipédia

Alors comment éviter cet effet mémoire ? Il faut bien décharger et charger en profondeur votre batterie à chaque utilisation.  Par contre, lorsque la charge de votre batterie est terminée, il faut débrancher votre appareil.  Sachez enfin qu'il est possible de se « ressusciter » une batterie souffrant d'effet mémoire via des dispositifs spéciaux.

Les batteries Li-ion

Les batteries Lithium ion ne souffrent pas de « l'effet mémoire ». Il n'est donc pas nécessaire de charger/décharger en profondeur votre batterie. Bien au contraire, vous risquez de la dégrader beaucoup plus rapidement. Voilà donc les conseils pour sauver vos batteries Li-ion :

 

  • Ne pas faire de décharge profonde (i.e. décharger complètement)
  • Ne pas stocker les batteries trop longtemps sans les utiliser
  • Stocker la batterie à ambiante (beaucoup de constructeurs stockent les batteries à 15 °C)
  • Stocker la batterie aux alentours de 40% de charge
  • Ne pas charger complètement la batterie avant de la stocker
  • Ne pas décharger complètement la batterie avant de la stocker
  • Ne faites pas de stock de batteries de rechange
  • Lors de l'achat de la batterie, vérifier la date de fabrication, son usure commence dès sa sortie d'usine.

 


Figure 4 : Dégradation d'une batterie Li-ion en fonction de la température et de sa charge

Si vous avez bien lu avec attention les précautions précédentes, vous avez donc compris qu'il est impossible de conserver une batterie Li-ion pendant une longue période quelque soit la méthode utilisée. Attendez-vous donc dans quelques années à voir toutes les batteries de  vos consoles portables favorites (GBA SP en première ligne) définitivement HS. J'en suis le premier attristé. Si vous êtes prévoyants et que vous avez acheté des batteries de rechange, cela n'a servi à rien, les batteries lithium-ion vieillissent dès leur sortie d'usine (alors faites attention aux dates de fabrication quand vous achetez un appareil neuf). Je vous déconseille de les utiliser si elles ont plusieurs années. En effet, leur dégradation est déjà bien avancée et vous risquez un incendie lors de la charge de celles-ci…

Retour à la Nintendo 3DS (Attention les avis ci-dessous sont mes réflexions personnelles et ne sont en aucun cas une vérité absolue)

Je pense que vous avez tous compris que nous sommes actuellement prisonniers de la technologie Li-ion en attendant son remplacement par celle des Li-air ou Ni-Li, éventuellement. Je vais revenir sur la 3DS et je tenais à rebondir sur l'article récent de Pix'n Love : « Aussi, quand on voit que la 3DS ne durerait que trois heures et quelques minutes... On se demande si, finalement, la nouvelle Nintendo ne veut pas chatouiller la PSP sur le plan technologique... Il est où l'héritage de Gunpei Yokoi dans tout ça ? Nous ne pouvons qu'être un peu inquiets quant à ce virage pris par Nintendo... Affaire à suivre ! »

Honnêtement, je ne suis pas d'accord avec ces propos pour plusieurs raisons. "La pensée latérale des technologies désuètes" : la 3DS y répond. Tout d'abord, la technologie 3D autostéréoscopique existe depuis très longtemps mais les coûts de fabrication ne sont devenus raisonnables que récemment. De plus, Nintendo montre depuis de nombreuses années leur volonté d'aller vers la 3D. L'architecture même de la 3DS a été pensée pour être peu consommatrice en énergie (par exemple l'utilisation de la puce PICA 200 de 2006). Cependant, Nintendo (comme les autres) subit la progression lente de la technologie des batteries. Comment faire pour résoudre le problème ?

Deux solutions possibles : on augmente la taille de la batterie par deux pour avoir 2 fois plus d'autonomie (entre 6 et 10 heures donc). On se retrouve avec une console au poids et volume fortement augmentés (qui veut un tank de sa poche ?) et la charge de la batterie prendra 2 fois de temps. Il suffit d'améliorer le temps de recharge diront certains ! Difficile, cela augmente beaucoup les risques d'incendie et d'explosion de la batterie.

De l'autre coté, on réduit la consommation en énergie de la console. On enlève la fonction 3D qui est surement la plus consommatrice en énergie. Quelle est alors l'innovation de la 3DS vis-à-vis d'une simple DS ? Autre solution : On retire un écran ? On perd l'ensemble de la retrocompatibilité et l'affiliation avec la DS. Contrairement à la majorité, je pense sincèrement que Nintendo a fait le choix le plus pertinent pour respecter l'esprit de Gunpei Yokoi avec nos limitations techniques actuelles en termes de consommation et de stockage de l'énergie.

Arrêtons de faire une course à la technologie portative. Laissons le temps aux chercheurs de trouver des solutions de remplacement et là, nous pourrons respecter l'héritage de Gunpei Yokoi.


Figure 5 : La 3DS semble contenir une batterie Li-ion 1300mAh contre 1800mAh pour les premières PSP (1200mAh pour les PSP actuelles). Une autonomie de 3 à 5 heures avec une technologie 3D à barrière parallaxe, je pense sincèrement que Nintendo a fait beaucoup d'effort pour réduire leur consommation énergétique.

J'espère que cet article aura répondu à certaines de vos questions concernant les batteries en générale et que les conseils de préservation vous seront utiles. A très bientôt !

Docteur Sub

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