Pour ce troisième numéro de la
rubrique du Docteur Sub, j'ai décidé de revenir sur le cas 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
infernale 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
conservations 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 mise
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 cycle de charge et de
décharge, que les batteries peuvent effectuer avant de perdre en générale 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 conservations.
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 inférieur 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 son 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 appareil photo numérique
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 4-5ans au minimum avant de voir 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
pense: « 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 durée 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
· - 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 servie à
rien, les batteries lithium-ion vieillissent dès leur sortie d'usine (alors
faites attention aux date 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 celle-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
leur remplacement par les 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
sur 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
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 10heures donc). On se retrouve avec une console au
poids et volume fortement augmenté (qui veut un tank de sa poche ?) et la
charge de la batterie prendra 2 fois de temps. Il suffit de 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