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Les caractéristiques techniques des accus

  • Par , le 2/03/2018 à 18h13
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Après l’article sur les caractéristiques essentielles des accus 18650 ou autres, voici leurs caractéristiques moins connues mais également importantes si vous voulez optimiser votre choix. Résistance interne, volt sag, tension nominale, chimie et taux de décharge n’auront plus de secrets pour vous.

Cet article n’est pas indispensable pour choisir vos batteries, c’était l’objet de l’article précédent. Celui-ci s’adresse aux geeks qui veulent comprendre certains mécanismes, à ceux qui veulent optimiser leur vape avec les mods mécas, et à tous les curieux qui ne sont pas allergiques à un peu de maths. On peut vaper avec le plus grand plaisir sans avoir la moindre idée de ce qui va suivre, heureusement ! Mais vous pouvez retrouver les termes dont nous allons parler un peu partout sur les groupes ou les forums, souvent de manière confuse ou erronée. Vous ne serez pas ingénieur en électrochimie après sa lecture, mais vous vous serez débarrassé de quelques mythes et pourrez vraiment optimiser le choix et l’utilisation de vos batteries.

La résistance interne

La résistance interne d’une batterie est… exactement ce que cela dit. Cela semble contre-intuitif, puisqu’une batterie génère de l’électricité il parait aberrant de parler de sa résistance : si elle génère de l’électricité, comment peut-elle résister au passage du courant ? Vue de l’extérieur, elle génère effectivement une tension mais vue de l’intérieur, elle a bien une résistance. Les ions circulent à l’intérieur et sa résistivité est liée à celle des matériaux utilisés et de ses contacts internes. L’électricité circule dans la batterie par des conducteurs qui ont comme tous les métaux une résistivité. Elle a également, pour les puristes, une résistance ionique.

Cette résistance interne est très faible puisqu’elle se mesure en milliohm, donc en millièmes d’ohm, et pourtant elle a un impact considérable sur le fonctionnement des batteries. Elle est d’abord responsable de l’augmentation de la température de la batterie quand on l’utilise. Une batterie dont les composants auraient une conductivité parfaite, sans résistance, ne chaufferait pas ! Et comme on l’a vu dans l’article sur les caractéristiques essentielles des batteries, c’est justement la température en fonctionnement qui permet de déterminer le CDM d’une batterie. Plus la résistance interne est faible, moins elle chauffe et mieux c’est.

À l’inverse, plus la résistance interne d’une batterie est élevée, plus elle aura tendance à chauffer et moins ses performances seront bonnes. C’est d’ailleurs le principal moyen d’évaluer l’état d’une batterie. Une batterie neuve a une résistance interne de 50 milliohms ou moins, une batterie très usagée peut avoir une résistance interne de 300 ou 500 milliohms. Certains chargeurs comme l’Opus BT-C3100 v2.2 (sur la photo ci-dessus) ou le Nitecore SC4 peuvent effectuer cette mesure avec une précision acceptable. Vous pouvez donc mesurer la résistance interne de vos batteries quand elles sont neuves, et si vous avez l’impression qu’elles ont perdu en performances, vérifiez ça en refaisant une mesure.

La résistance interne est également responsable d’un phénomène appelé le “volt sag”.

Le volt sag

Le volt sag est la différence entre la tension à vide et la tension en charge d’une batterie. Si une batterie a une tension de 4,2 V au repos, cette tension va chuter dès qu’elle sera en charge (dès qu’elle alimente quelque chose), et cette baisse de la tension de sortie est d’autant plus prononcée que l’intensité demandée est élevée. Le volt sag est donc une valeur qui s’exprime en volts, et qui mesure cette baisse de la tension une fois la batterie en fonctionnement.

Pour prendre un exemple concret, une Samsung 25R (résistance interne : 25 milliohms) pleine a une tension de 4,2 V. Dès qu’on la branche sur un circuit qui lui demande 10 A, sa tension tombe à 4 V. Avec 15 A, la tension chute à 3,9 V, 3,8 V à 20 A et 3,7 V à 25 A. Et la tension revient à 4,2 V dès qu’on coupe le circuit (en admettant que cela ait été assez bref pour ne pas l’avoir déchargée sensiblement bien entendu). Le volt sag est respectivement de 0,2 V, 0,3 V, 0,4 V et enfin 0,5 V.

Le volt sag se calcule très simplement avec la formule suivante, qui n’est autre que la loi d’ohm :

Volt sag = (Résistance interne de la batterie) x (Intensité)

Et cette formule révèle beaucoup de choses !

D’une part comme on l’a dit, plus l’intensité est élevée (donc plus on vape à haute puissance pour ce qui nous intéresse), plus le volt sag est important. Mais le volt sag est également directement lié à la résistance interne de la batterie. Plus elle est faible, et moins le volt sag sera élevé. Une batterie usée voit sa résistance interne augmenter, et donc son volt sag augmenter en proportion.

D’autre part, le volt sag ne dépend pas de la tension de la batterie, elle le conserve sur toute sa courbe de décharge. Si le volt sag est de 0,5 V, la batterie chargée de 4,2 V à vide aura une tension de 3,7 V dès qu’on allume le circuit. Quand elle se décharge et que sa tension à vide descend à 3,7 V, sa tension en charge chute à 3,2 V… la tension de coupure de beaucoup de box électroniques, qui affichent alors « low battery » pour vous indiquer que la batterie est vide. Le volt sag intervient donc directement sur l’autonomie d’une batterie !

Une batterie ayant un volt sag faible, donc une résistance interne faible également, peut délivrer plus de puissance mais aura aussi plus d’autonomie. Avec un volt sag de 0,5 V, elle se déchargera de 4,2 à 3,7 V dans une box, tandis qu’avec un volt sag de 0,1 elle se déchargera de 4,2 à 3,3 V, donc aura nettement plus d’autonomie. Vous vous souvenez, dans l’article sur les caractéristiques essentielles des batteries, j’avais évoqué que la capacité des batteries se mesure avec un courant de décharge très faible. C’est précisément à cause du volt sag. On utilise une intensité faible pour mesurer la capacité de 4,2 à 2,8 V, pratiquement sans volt sag, sinon la mesure se ferait de 4,2 à 3,3 V pour un volt sag de 0,5 V, et la mesure serait inconsistante.

On peut également retrouver la résistance interne d’une batterie si on connait son volt sag à une intensité donnée : Résistance interne = (volt sag) / (intensité). Il faut toutefois pouvoir mesurer ces deux valeurs avec assez de précision, ce qui reste délicat.

Enfin, le volt sag est une autre raison au ridicule des CDM pulsés chers aux rewrappers. Quand vous lisez qu’une batterie de 3000 mAh est donnée pour un CDM de 40 A, pensez au volt sag. Avec une batterie dont la résistance interne est de 25 milliohms comme la Samsung 25R de l’exemple précédent, le volt sag est de 1 V ! Donc dès que vous voulez vaper, la tension de votre batterie chargée s’effondre directement à 3,2 V. En méca, vous ne sortirez pas la moitié de la puissance escomptée, et avec une box électronique elle vous dira directement “batterie vide” parce que n’ayant pas de bouche, elle ne pourra pas rigoler. Une raison qui s’ajoute aux autres évoquées dans le précédent article bien entendu et qui fait atteindre des sommets au grotesque de cet argument commercial.

La tension nominale

Le terme ne vous dit peut-être rien, et pourtant vous en connaissez très probablement la valeur : il s’agit du “3,7 V” indiqué en gros sur toutes les batteries dont nous nous servons dans la vape. Un nombre qui semble sorti de nulle part, dont on ne se sert a priori jamais mais qu’on voit partout.

Cette valeur dépend de la chimie utilisée dans la batterie. Les petites batteries AA par exemple ont une tension nominale de 1,2 V car elles utilisent une chimie Ni-Mh. Nos accus ont une tension nominale de 3,7 V ou 3,6 V parce qu’ils utilisent une chimie Li-On. On peut ainsi également déterminer le genre de chimie utilisée dans une batterie d’après sa tension nominale.

À l’usage, cette valeur n’a pas une grande importance pour nous. Si vous souhaitez conserver au mieux une batterie sur une longue période sans l’utiliser, chargez-la à sa tension nominale pour la préserver au mieux. C’est également la tension de fonctionnement idéale de la batterie. Si vous chargez vos batteries à 3,9 V et les rechargez dès que leur tension atteint 3,5 V, vous prolongez considérablement leur durée de vie. Également, si vous déchargez votre batterie à très faible intensité, sa courbe de décharge fera un palier autour de cette valeur. Donc, comme je le disais, cette valeur n’a pas vraiment d’utilité pratique dans la vape au quotidien, mais vous voilà incollable sur cette question inutile. Vous savez maintenant comment briller au prochain vapéro !

La chimie

Autant la question de la tension nominale était simple, autant celle de la chimie est… facilement confuse, les termes étant souvent utilisés un peu n’importe comment y compris par certaines marques. On peut lire un peu partout que les batteries “IMR” sont les plus sûres, et que les “ICR” sont à éviter parce que proches des Li-Po qui ne demandent qu’à s’enflammer au moindre pépin. C’est vrai, sans l’être, tout en l’étant et on va essayer de clarifier un peu tout ce bazar.

Les références que l’on voit sur les chimies des batteries sont IFR, IMR, INR et ICR. Le “I” signifie lithium, pour peu intuitif que ce soit. Toutes nos batteries sont de fait au lithium, jusque-là tout va bien. Le “R” à la fin signifie “round” en anglais, donc c’est une batterie ronde, ce qui n’a rien à voir avec la chimie. Ces acronymes ne sont donc pas des normes établies de chimie, leur forme n’ayant rien à voir avec la question. Enfin les lettres au milieu représentent “ferrous phosphate” pour le “F”, manganèse pour le “M”, nickel pour le “N” et cobalt pour le “C”. Voyons un peu à quoi tout cela correspond et ce que cela implique pour la sécurité des batteries.

Schématiquement, toutes les chimies représentent un compromis entre sécurité et performance. Un peu comme pour la capacité et le CDM, plus on a l’un et moins on a l’autre. Dit autrement, plus une chimie est performante et moins elle est sûre, et inversement. Par performante, on entend ici qui a le meilleur CDM à encombrement égal. Et par “sûre”, il faut entendre qui explose ou prend feu à une température plus élevée, et de manière moins violente quand cela se produit. En soi aucune chimie n’est totalement “sûre”, mais on peut les tout de même les classer sur ce critère :

Les batteries les plus sûres sont les LFP, lithium-ion-phosphate ou lithium-ferrous-phosphate. Elles sont très stables, mais leur tension nominale n’est que de 3,2 ou 3,3 V, vous n’en trouverez aucune pour la vape, pas de chance. Viennent ensuite les LMO, lithium-manganèse-oxyde, dont les performances ne suffisent pas non plus pour la vape. Re-pas-de-chance.

Les batteries les moins sûres sont les LCO, lithium-cobalt-oxyde, plus connues sous le nom de Li-Po (Lithium-Polymère). Ce sont celles qui s’enflamment à la plus basse température, elles sont également très sensibles aux chocs et aux déformations, et elles ont la réaction la plus violente le cas échéant, mais elles sont également les plus performantes. Elles doivent impérativement être utilisées avec un circuit de sécurité et on ne les retrouve que dans les box et mods dont la batterie est intégrée.

Viennent entre les deux et dans l’ordre les NMC (nickel-manganèse-cobalt) et les NCA (nickel-cobalt-aluminium). Les NMC sont donc des LMO auxquelles on a ajouté le cobalt des Li-Po pour la performance. C’est pour cette raison qu’on les appelle “hybrides”, elles sont un cocktail des deux chimies LMO et LCO. Et même principe pour les NCA, dans lesquelles l’aluminium remplace le manganèse mais qui sont assez proches et souvent également inclues dans les “hybrides” pour cette raison.

Pour en revenir à nos IMR, INR et autres, les batteries IFR sont les LFP. Jusque-là, c’est simple mais ces accus ne sont pas assez performants pour la vape, donc aucun intérêt. Les IMR sont caractérisées par le manganèse, on retrouve donc les LMO (d’où la réputation de sécurité des IMR) mais également les NMC hybrides. Les INR ont du nickel, on y trouve donc les hybrides NMC et NCA. Enfin, les ICR ont du cobalt, on y trouve à nouveau les hybrides NMC et NCA, ainsi que les LCO, les fameuses LiPo qui font donc la mauvaise réputation des ICR.

Et voilà pourquoi vous lirez souvent qu’il faut utiliser des batteries IMR, en particulier dans un méca, et que les ICR sont à fuir. Comme souvent il y a un fond de vrai, mais cela reste faux. Les IMR ont bonne réputation parce qu’elles incluent les LMO qu’on utilise pas dans la vape, et les ICR mauvaise réputation car elles incluent les LiPo qui ne concernent que les batteries intégrées, jamais les 18650 et autres batteries amovibles. 

Ajoutez à cela que beaucoup de marques signent leurs batteries d’un IMR commercial, justement parce que cela rassure, et vous aurez compris que l’information donnée par les IMR, ICR et autres ne signifient rien de pertinent pour nous. D’ailleurs dans le classique IMR 18650, on vous rappelle deux fois que la batterie est ronde : avec le “R” de IMR et le O à la fin… des fois que vous n’auriez pas remarqué par vous-même qu’elle n’est pas cubique.

Concrètement, nous avons les LiPo pour les batteries intégrées, et les hybrides pour les batteries amovibles comme les 18650. Choisissez vos batteries en fonction de leurs caractéristiques, vous pouvez retirer les histoires d’IMR et autres des critères de sélection.

Le taux de décharge

Le taux de décharge, noté “C” sur les batteries et les fiches techniques, est un nombre résultat du calcul : C = CDM / Capacité. Il faut que les unités soient identiques, la capacité doit donc être en Ah (Ampères par heure) puisque le CDM est en ampères.

Plus une batterie à un CDM élevé et plus sa capacité est faible, donc plus son taux de décharge est élevé. Cette valeur peut également permettre de comparer la performance de deux batteries ayant la même capacité : celle ayant le plus haut taux de décharge aura également le meilleur CDM. Cela étant, il est plus rapide de comparer les CDM directement, c’est évident.

La principale utilité supposée du taux de charge est de permettre de trouver les bonnes valeurs pour la charge des accus. Je vous épargne les formules, elles ne fonctionnent de fait pas pour toutes les références de batteries. Pour connaitre l’intensité de charge de votre batterie, il suffit de la lire sur sa fiche technique, nous en parlons dans l’article dédié à la recharge des batteries.

Pour aller plus loin…

Le thème des batteries est vaste, nous lui avons consacré une série d’articles pour faire le tour de la question.

  • Pour vous permettre de choisir facilement et sans vous tromper, nous avons sélectionné les 5 meilleurs accus 18650. Un guide simple pour aller directement à l’essentiel.
  • Au-delà du choix d’une référence de batterie, il y a des marques à recommander et d’autres à éviter. Nous avons dont dressé le tableau d’un marché partagé entre les fabricants et les « rewrappers » pour savoir quelle marque d’accu choisir.
  • Pour simple qu’il soit, le rechargement des accus ne doit pas se faire n’importe comment et méritait largement un article dédié pour le faire efficacement et en sécurité.
  • Acheter la bonne batterie, c’est bien, mais la conserver longtemps, c’est encore mieux ! Nous vous avons donc concocté un tutoriel complet pour prolonger la durée de vie de ses batteries.
  • Une batterie finira cependant toujours par perdre de ses performances, subir un choc ou un accroc sur son plastique de protection. Reste à savoir quand faut-il remplacer une batterie et comment s’en débarrasser.
  • Pour ceux qui veulent en savoir davantage, l’article sur les caractéristiques essentielles des batteries vous explique tout sur ce que sont vraiment la capacité et le courant de décharge maximal des batteries, et comment on les détermine.
  • Enfin, si comme beaucoup vous pensez que la configuration série / parallèle des batteries ou la résistance du montage a une importance quelconque sur l’autonomie ou l’intensité tirée sur les batteries dans une box électronique, l’article sur le choix des batteries dans une box électronique est pour vous.
  • Et un peu à part, un article sur les explosions des batteries des cigarettes électroniques. Les medias s’en régalent, on sait qu’elles sont rarissimes, il était important de faire le point sur ce sujet explosif afin de le comprendre, et surtout de pouvoir éviter qu’il vous arrive.

 

N’oubliez pas !

  • Ne jamais utiliser un accu au-delà de ses caractéristiques, pour sa longévité autant que pour votre sécurité.
  • Toujours transporter ses accus dans une protection adaptée, la majorité des rares accidents est liée à un transport des batteries nues.
  • N’utiliser que des accus en parfait état, sans égratignures ni d’impacts.
  • Un accu ne se jette pas, il se dépose dans une boîte de recyclage spécifique.

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