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Batteries Zebra (Sodium-chlorure de nickel)

Si l’on ne rencontre pas souvent chez les constructeurs automobiles de véhicules électriques équipés de batteries Zebra, c’est tout simplement parce que le fonctionnement de ces accumulateurs si spécifiques implique quasiment leur utilisation permanente ou leur raccordement au réseau électrique. En effet, les batteries sodium-chlorure de nickel doivent toujours être maintenues à une température de 270 à 350°C nécessaire à leur bon fonctionnement. Loin d’une prise, elles perdent 12% par jour en autodécharge rien que pour maintenir la chaleur. En cas d’oubli, l’électrolyte principal se solidifie. Il faut alors plusieurs jours de charge pour retrouver la bonne plage thermique. En règle générale, un véhicule équipé de tels accumulateurs doit rester branché en cas d’immobilisation de plusieurs jours. Voilà pourquoi ils sont donc plus particulièrement destinés à un usage professionnel intensif. On les trouve ainsi dans des bus électriques ou des camionnettes de La Poste.

Si l’on ne rencontre pas souvent chez les constructeurs automobiles de véhicules électriques équipés de batteries Zebra, c’est tout simplement parce que le fonctionnement de ces accumulateurs si spécifiques implique quasiment leur utilisation permanente ou leur raccordement au réseau électrique. Ils sont donc plus particulièrement destinés à un usage professionnel intensif.

Besoin d’espace

A l’origine breveté en 1975 par John J. Werth, de l’équipementier ESB Incorporated, l'accumulateur dichloronickel de sodium fut finalement développé dix ans plus tard par une équipe dirigée par le docteur Johan Coertzer du Council for scientific and industrial research de Pretoria (Afrique du Sud). L’instrument de réserve prit alors le nom de Zebra (Zeolite battery research africa project).

Une première génération de ces batteries intégrait une électrode en dichlorure de fer. Avec une bonne tension nominale qui s’élevait à 2,35 V, son fonctionnement produisait de nombreuses réactions parasites. Le dichlorure de fer fut vite remplacé par du chlorure de nickel. La tension de la batterie grimpa alors à 2,58 V.

En Italie, des bus électriques alimentés par des batteries Zebra ont circulé dès 1998. Dix ans plus tard, on en comptait déjà 200.

Depuis 2004, la société Suisse MES-DEA commercialise des Renault Twingo Quickschift Elettrica équipées de batteries Zebra. Avec une autonomie de 130 km et une vitesse maximum limitée électroniquement à 120 km/h, ces modèles sont plus performants que les Renault et PSA alimentées par des batteries NiCd (80 km et 105 km/h).

La première génération de Smart Fortwo électriques, testée à Londres (Grande-Bretagne) en 2007, disposait aussi de batteries Zebra. En revanche, la suivante, recevait un pack de batteries lithium-ion.

En 2010, le constructeur Venturi s’est appuyé sur des Citroën Berlingo pour livrer à la Poste 250 utilitaires électriques alimentés par ces mêmes accumulateurs.

Plusieurs électrolytes

L’accumulateur Zebra a une particularité : il possède plusieurs électrolytes.

  • L'anode est composée de sodium liquide et solide :
  • La cathode, constituée de nickel solide et située au centre, réagit en consommant des électrons et forme du nickel :

Juxtaposé à ce solide, on a un mélange de chlorure de nickel (), de chlorure de sodium (NaCl), et de nickel (Ni).

  • Les deux électrodes sont séparées par un électrolyte liquide, du tétrachloroaluminate de sodium fondu (), dont la température de fusion est de 157°C. Son rôle est de bloquer les électrons. L’ensemble est confiné dans un électrolyte solide en céramique (un tube de β-alumine).

Avec :

  • (s) = molécule sous forme solide,

  • (l) = molécule sous forme liquide.

Lorsque la batterie débite, le sodium réagit avec le chlorure de nickel pour former du nickel et du chlorure de sodium. Les électrons, qui sont produits lors de cette réaction, circulent de l'anode à la cathode via un circuit externe, produisant ainsi un courant électrique. Au final, on obtient l'équation générale :

Lors de la charge de la batterie, l'équation est inversée :

Néanmoins, la capacité de charge dépend principalement de la quantité de sel (NaCl) disponible à la cathode.

Simples composants

Le prix de la batterie Zebra varie essentiellement en fonction du cours du nickel, son principal composant, disponible en quantité conséquente. Lié au cours de l'acier, celui du nickel n’a fait que croître de 2001 à 2007 pour atteindre les 50 dollars le kilo. Depuis cette date, il est redescendu pour s’établir aux environs de 15 dollars. Les autres composants (sodium, chlore et aluminium) sont relativement économiques.

Tableau comparatif des types de batteries

Energie en Wh/kg Nb de cycles % (1) Volts Avantages Inconvénients
Plomb 30-50 400-1.200 5/m 2,1 Faible coût Faible puissance
NiCd 45-65 1.000-2.000 20/m 2,3 Performance à froid Toxicité, peu de puissance
NiMH 55-80 500-1.500 30/m 1,3 Energie correcte Coût
Zebra 80-120 800-1.200 12/j 2,6 Bonne énergie Température élevée
NiFe 20-60 800-1.000 40/m 1,2 Résistance décharge et surcharge Risque d’explosion
Li-ion 120-200 500-1.000 10/m 3,6 Pas d’effet mémoire Coût
LiFe-PO 130-200 500-800 10/m 3,6 Faible poids Peu de cycles
LMP 120-180 200-600 10/m 3,6 Longue durée de vie Coût, peu de cycles, température
LiTi 50-80 > 6.000 10/m 2,4 Charge très rapide Faible énergie
Li-air 1.700-2.400 10-100 10/m 3,6 Moins polluante, gain de place Utilisation air pur et optimale à 30-105°C
Li-PO 150-190 200-300 10/m 3,7 Faible poids, formes variées Coût et peu de cycles

(1) Autodécharge par mois (m) ou jour (j)

Ne nécessitant aucune maintenance particulière, l’accumulateur Zebra affiche, parmi ceux utilisés dans les véhicules électriques, une des meilleures tensions (2,58V), ainsi qu’une densité énergétique élevée (80 à 120Wh/kg). Cinq heures lui suffisent pour être rechargé à 80%. Son nombre de cycles de charge/décharge est convenable (800 à 1.200 cycles), mais en retrait par rapport aux batteries NiCd (1.000 à 2.000 cycles). En l'absence de réactions parasites, son rendement est particulièrement bon.

Pour les flottes

Bien isolées des conditions extérieures, les batteries Zebra doivent toujours être maintenues à une température de 270 à 350°C nécessaire à leur bon fonctionnement. Lorsqu’elles sont branchées sur le secteur, ce n’est pas un problème. En revanche, loin d’une prise, elles perdent 12% par jour (autodécharge) d’énergie rien que pour maintenir la chaleur. En cas d’oubli, l’électrolyte principal se solidifie. Il faut alors plusieurs jours de charge pour retrouver la bonne plage thermique. Il y a encore quelques années, trois ou quatre incidents de ce genre signifiaient la mort de la batterie. Les nouvelles versions sont plus tolérantes. En règle générale, un véhicule équipé de tels accumulateurs doit rester branché en cas d’immobilisation de plusieurs jours.

Quoi qu’il en soit, malgré cette température de fonctionnement élevée, les parois de la batterie ne sont qu’à 30°C environ. Ni les conditions hivernales, ni les estivales, ne lui font peur. Aucun risque d'explosion n'est à craindre, étant donné qu'un problème dans la batterie ne provoquerait qu'un dépôt de sel ou de métal, et un court-circuit localisé.

Du fait de l’impératif thermique, les véhicules équipés de batteries Zebra sont plus particulièrement destinés à des flottes d’entreprise où ils seront utilisés au quotidien et branchés sur le secteur le reste du temps. Plus abordables que leur équivalent monté avec des batteries au lithium, des bus à pack Zebra font toujours l’objet de tests un peu partout dans le monde.

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Jérôme Béron
Utilisateur de véhicules électriques