LA PILE ELECTRIQUE

                 LA PILE ELECTRIQUE
                                                           Proposé par Ali GADARI

Pile électrique

Différents formats de piles : deux piles de 9 volts, deux AAA, deux AA, une C, une D, une pour caméscope, une pour téléphone sans fil et une pour une radio amateur.

Type	Stockage d'énergie, type de bien manufacturé (d)

Caractéristiques

Composé de	Anode, Cathode, électrolyte, separator (en)

Fonctionnement

Énergie	Réaction d'oxydoréduction

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Piles salines et alcalines, les plus courantes.

Une pile électrique, couramment appelée pile, est un dispositif électrochimique qui convertit l'énergie chimique en énergie électrique grâce à une réaction chimique d'oxydoréduction.

Vocabulaire : pile, batterie, accumulateur

À l'origine, le terme « pile » désignait un dispositif inventé par le savant italien Alessandro Volta, composé d'un empilement de rondelles de deux métaux différents, séparés par des feutres imprégnés d'un électrolyte. Par extension, le mot « pile » désigne toute batterie monobloc. Cependant, le terme « batterie » désigne un ensemble d'éléments montés en série pour obtenir une tension souhaitée1, dans un emballage unique. La locution « pile rechargeable » est un abus de langage couramment employé. De même, par abus de langage, le terme « pile » est utilisé pour désigner d'autres générateurs électrochimiques : pile à combustible, accumulateur électrique.

Principe de fonctionnement

Symbole électronique d'une pile qui se réfère à la structure de la pile voltaïque.

Schéma d'une pile. Chaque récipient constitue une demi-cellule. Une électrode (symbolisée par une brique) est plongée dans chaque demi-cellule. Les deux demi-cellules sont reliées par un pont salin qui sert au maintien de l'équilibre des charges électriques. Ce pont permet le passage d'ions, mais pas celui du solvant. Lorsque les électrodes sont constituées de matériau présentant une différence de potentiel suffisante, un courant électrique s'établit de la cathode à l'anode, c'est-à-dire de l'électrode positive à l'électrode négative.

Le boîtier d'une pile abrite une réaction chimique entre deux substances dont l’une peut céder facilement des électrons (matériau réducteur), et l’autre qui les absorbe (matériau oxydant). Chacune de ces réactions chimiques est dite « demi-réaction ». Lorsqu'elles sont proprement combinées, elles forment une réaction d'oxydoréduction. Chaque demi-réaction survient dans une solution où se produit un échange d'électrons. Ce sont ces électrons qui sont échangés entre les deux substances. Pour assurer l'équilibre des charges électriques, il faut relier les deux solutions à l'aide d'un pont salin, système qui permet le transport de certains ions tout en interdisant la circulation du solvant.

Chaque élément du couple oxydant/réducteur est relié à une électrode. Ces électrodes, lorsqu'elles sont reliées à un consommateur électrique, provoquent la circulation d'un courant électrique ; la réaction chimique provoque une circulation de charges (électrons, ions). Une pile fournit donc du courant continu. La borne (-) d'une pile correspond à l'anode où se produit la réaction d'oxydation qui va fournir les électrons. La borne (+) d'une pile correspond à la cathode où se produit la réaction de réduction qui va consommer les électrons.

Ce système est utilisé pour les piles électriques et les batteries d'accumulateurs, avec divers couples électrochimiques. Une pile électrique peut contenir plusieurs de ces couples montés en série, ce qui permet d'augmenter la tension disponible aux bornes de la pile.

Il est possible de réaliser une pile artisanale, par exemple en piquant dans un citron un trombone déplié ou un clou (en acier galvanisé, recouvert donc de zinc) et un fil électrique dénudé (en cuivre) reliés à une petite lampe ou une diode électroluminescente bien choisie. On trouve dans le commerce des gadgets qui utilisent ce principe : par exemple des petites horloges à quartz qui sont alimentées par une pomme de terre.

Histoire

Il existe des objets archéologiques, comme ceux trouvés en 1936, ressemblant à des piles. C'est le cas de la pile électrique de Bagdad qui est datée entre 250 av. J.-C.et 250 mais elles pourraient être encore plus anciennes et expliqueraient le placage si parfait de nombreux bijoux antiques si légers. Elles auraient fonctionné aux jus de fruits voire au sulfate de cuivre, des expérimentations sur des reconstitutions modernes ont validé la faisabilité des deux modèles. Il n'existe aucun lien historique entre ces objets et le développement des piles contemporaines d'autant que l'usage de celles-ci serait le placage de métaux précieux ce qui expliquerait son usage mineur, confidentiel, voire associé à un usage de faussaire (voir Archimède et la couronne du roi Hiéron).

En 1786, Luigi Galvani observe que les muscles d'une cuisse de grenouille se contractent lorsqu'elle est mise en contact avec des métaux, de la même manière que lorsqu'on la branche sur une machine électrostatique. Il découvre que la réaction est plus forte quand il utilise un instrument composé de deux métaux différents.

En opposition avec les travaux de Galvani (électricité d'origine animale), Alessandro Volta invente la première pile à colonne le 17 mars 1800 ; ces premiers systèmes étaient constitués d'un « empilement » de disques de deux métaux différents séparés par des disques de feutre, imbibés d'acide, d'où le nom de l'invention. La pression de la colonne sur les disques du bas provoque un assèchement des cylindres de feutre qui finissent par ne plus remplir leur office. Volta invente donc rapidement la pile à couronne, constituée d'empilements plus petits montés en série.

Quelques mois après l'invention de Volta, deux chimistes britanniques, William Nicholson (1753-1815) et Anthony Carlisle (1768-1840) utilisent la pile de Volta pour réaliser la première électrolyse artificielle (électrolyse de l'eau) le 2 mai 1800.

Dès 1802, William Cruickshank crée la pile à auge en disposant verticalement les lames de zinc et de cuivre dans un bac à parois isolantes rempli d'eau acidulée. Elle est beaucoup plus simple à produire que la pile de Volta.

• Différents types de pile Volta
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  La pile voltaïque, inventée par Alessandro Volta
 
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  Autre pile à colonne de Volta, début du xix^e siècle
 
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  Schéma de fonctionnement de la pile Volta
 
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  Schéma de la pile Volta

Piles polarisables

Entre 1813 et 1815, William Hyde Wollaston développe la pile Wollaston dans laquelle l'électrode de cuivre entoure l'électrode de zinc. Cela permet de doubler la surface de l'électrode et de prolonger le fonctionnement de la pile. Ces premières piles souffrent en effet d'un défaut de fonctionnement : la polarisation.

La réaction d'oxydo-réduction provoque une accumulation de sous-produits qui perturbe le fonctionnement de la pile. Dans ces piles zinc-cuivre c'est la réduction de l'acide de l'électrolyte qui produit un dégagement de bulles de dihydrogène sur le cuivre qui empêche le passage du courant. Au bout d'un certain temps, il est donc nécessaire de nettoyer la pile de ces dépôts pour qu'elle continue de fonctionner.

En 1813, Napoléon fournit à l'École polytechnique une pile voltaïque de 600 couples de cuivre et de zinc, occupant 54 mètres carrés de surface. Humphry Davy fait construire une pile Cruickshank constituée de 200 auges et de 2 000 couples à l'institut Royal de Londres. Avec ces piles monumentales il était possible d'obtenir des intensités de 10 ampères, soit des puissances de l'ordre de la dizaine de kW.

Piles impolarisables

Schéma du principe de la pile Daniell.

Dans les piles impolarisables, les produits de la réaction d'oxydo-réduction utilisée n'altèrent pas les propriétés électrochimiques de l'ensemble.

En 1829, Antoine Becquerel crée la première pile à deux liquides séparés en enfermant la plaque de zinc en solution acide dans un gros intestin de bœuf, qui la sépare de l'électrode de cuivre placée dans un bain de sulfate de cuivre. La génération d'hydrogène est remplacée par une accumulation de cuivre sur les parois de la cathode.

Le principe est amélioré en 1836 par John Frederic Daniell qui remplace l'intestin de bœuf par un vase en terre poreuse. La pile Daniell est la première à offrir une source durable d'énergie. Le principe de la pile Daniell sera amélioré : plusieurs améliorations technologiques suivront, comme les piles Callaud.

Johann Christian Poggendorff invente en 1842 la pile à bichromate : elle dégage de l'oxygène qui se recombine avec l’hydrogène responsable de la polarisation. Créée en 1850, la pile Grenet est une pile à un seul liquide, avec des électrodes en charbon et en zinc amalgamé (plongé dans le mercure) dans un électrolyte d'acide sulfurique et de bichromate de potassium. Quand la pile n'était pas utilisée, il était nécessaire de retirer l'électrode en zinc de la solution pour la préserver. Diverses améliorations (pile Trouvé, pile Chardin, pile Voisin et Dronier…) vont suivre pour isoler cette électrode.

Ces piles bouteilles seront utilisées jusqu'au début du xx^e siècle : la puissance et la tension élevée des piles au bichromate ont été longtemps appréciées au laboratoire. Elles ont été peu utilisées comme pile domestique à cause de la toxicité des bichromates et des problèmes d'entretien de l'électrode.

Piles à dépolarisation

Piles boutons.

Pile Bunsen.

Les piles à dépolarisation utilisent un réducteur pour éliminer les produits de réaction qui se forment à la cathode.

La première pile à dépolarisation est inventée en 1838 par William Robert Grove. Il remplace le cuivre par du platine et utilise de l'acide nitrique (nommé acide azotique à cette époque). Il obtient une pile puissante mais chère car le platine est un métal rare. En 1843, Robert Wilhelm Bunsen remplace le platine par du charbon ce qui réduit notablement les coûts (voir Pile Bunsen) mais la dépolarisation nitrique entraîne un dégagement de vapeurs toxiques qui rend l'emploi de ces piles malcommode.

En 1867, Georges Leclanché crée la première pile à dépolarisant solide : elle contient du dioxyde de manganèse. La pile Leclanché est moins puissante que la pile bouteille mais ne nécessite aucun entretien (elle « ne s'use que si l'on s'en sert » comme dira la publicité de la pile Wonder). En 1888, Carl Gassner invente la pile sèche en gélifiant la solution de chlorure d'ammonium avec de l'agar-agar. Avec quelques améliorations, cette pile sèche est toujours utilisée au xxi^e siècle.

Pendant la Seconde Guerre mondiale, Samuel Ruben et Philip Mallory créent la pile au mercure.

En 1959, la première pile alcaline grand public est conçue par Lewis Urry, Karl Kordesch et P.A Marsal pour Union Carbide.

En 1970, les premières piles au lithium, qui permettent de remplacer le zinc par un métal plus réducteur, sont mises au point. Elles sont commercialisées en 1977.

Des piles ont été utilisées comme références pour définir une norme de tension avant d'être détrônée par une mesure basée sur l'effet Josephson : la pile Daniell, puis la cellule de Clark inventée en 1872 par Josiah Latimer Clark a été employée jusqu'en 1905, puis elle a été remplacée par la cellule de Weston jusqu'en 1972.

Piles de concentration

Il existe aussi ce qu'on appelle des piles de concentration qui sont des dispositifs électrochimiques comme les piles (deux solutions et un pont salin) qui tirent leur énergie de la différence de concentration d'un soluté d'une solution à l'autre. Les solutions et les anodes sont toutes de même type. C'est une méthode simple pour fabriquer de l'électricité. Ce modèle de pile intervient surtout dans l'industrie métallurgique au niveau de la galvanisation et de l'étude de la corrosion.

Classification

Différents types de piles

Par technologie

Il existe quatre technologies de piles grand public :

• pile alcaline : ( ⊝ Zn | Zn(OH)₄²⁻ | K⁺ + OH⁻ | MnO(OH) | MnO₂ | C ⊕ ) ;
• pile saline : ( ⊝ Zn | Zn²⁺ | NH₄⁺ + Cl⁻ | MnO(OH) | MnO₂ | C ⊕ ) ;
• pile au lithium ( ⊝ Li_(s) | LiCl_(SOCl2) | MnO_{2 (s)}, Mn₂O_{3 (s)} | Fe_(s) ⊕ ) ;
• On trouve aussi des piles à l'oxyde d'argent (certaines piles boutons pour montres) ou des piles zinc-air (utilisées notamment dans les prothèses auditives) (⊝ Zn | ZnO || Ag₂O | Ag | C ⊕).

Depuis décembre 1998, les piles au mercure sont interdites en Europe (directive 98/101/CE) et aux États-Unis en raison de la toxicité et de l'impact environnemental du mercure.

Par format

 Format des piles et accumulateurs électriques.

Les formats de piles sont couramment désignés par un code (AA, LR12, CR2032…) normalisé par la Commission électrotechnique internationale (CEI) et par l'American National Standards Institute (ANSI). Bien que la norme CEI soit devenue un standard, un certain nombre d'appellations propres aux fabricants de piles subsiste.

Par force électromotrice

La force électromotrice (f.e.m.) est la tension qui existe aux bornes de la pile en circuit ouvert. La f.e.m est variable au cours du temps et est fonction de la capacité restante de la pile : elle diminue au fur et à mesure de la décharge de la pile.

La f.e.m nominale est la f.e.m de la pile à l'état neuf, et c'est celle qui est inscrite sur la pile elle-même ou son emballage

Les piles salines et alcalines ont une f.e.m. environ nominale de 1,5 V, tandis que celle des piles au lithium est de 3,6 V environ.

Les piles de f.e.m. plus élevées sont constituées d'une association en série de cellules de 1,5 V (3 éléments en série, dans une pile 3LR12 de 4,5 V ; 6 dans une pile 6LF22 de 9V).

Par capacité

La capacité d'une pile est la quantité maximale de charge électrique qu'elle peut fournir au cours de sa décharge. Dans le SI, elle s'exprime en coulomb, mais on utilise couramment l'ampère-heure (1 A h = 3 600 C) ou le milliampère-heure (1 mA h = 3,6 C).

Elle dépend de la quantité d'électrolyte et d'électrode, mais aussi des conditions de décharge (intensité du courant de décharge, tension de coupure de l'appareil, température d'utilisation).

Si l'intensité de décharge I est constante, la capacité Q est proportionnelle à la durée de décharge Δt : ${\displaystyle Q=I\times \Delta t}$

Si l'intensité i varie, alors : ${\displaystyle Q=\int _{0}^{\Delta t}i\,\mathrm {d} t}$

La capacité théorique d'une pile, définie par les fabricants, est de 20 heures (le temps de décharge) multiplié par le courant que peut fournir la pile pendant cette durée. Elle est observée à 20 °Csur un équipement normalisé. Sa mention n'est pas obligatoire sur les emballages, et de fait, elle est très rarement mentionnée.

Une pile de 100 A h délivre 5 A pendant 20 heures à la température normale d'une pièce. Par contre, si elle est déjà déchargée à 50 A h, c'est qu'elle a une capacité inférieure à ce qui est déclaré

Capacité et décharge des piles

Un appareil servant à vérifier la tension d'une pile.

La relation entre le courant, la décharge et la capacité pour une batterie au plomb est approximativement déterminée par la loi de Peukert modélisant la capacité d'une pile en fonction du courant débité.

${\displaystyle t={\frac {Q_{P}}{I^{k}}}}$

où :

• ${\displaystyle Q_{P}}$ est la capacité de décharge à 1 ampère(A) ;
• ${\displaystyle I}$ est le courant débité par la batterie en ampères ;
• ${\displaystyle t}$ est le temps que la batterie pourra tenir ;
• ${\displaystyle k}$ est une constante empirique de l'ordre de 1,3 ;

Pour les basses puissances, l'auto-décharge doit être intégrée.

En pratique, une batterie est plus efficace si elle est déchargée avec une basse intensité. Pour une pile qui a une auto-décharge relativement élevée, l'auto-décharge peut consommer la majorité de la capacité de la batterie. Précisons que toutes les piles se déchargent au cours du temps, même si elles ne sont pas utilisées. Il existe des technologies de piles activables qui permettent de retarder le démarrage de la réaction. Elles sont par exemple utilisées dans les éléments de sécurité (coussin gonflable, balise de détresse de bateau, etc.) ou dans certaines applications militaires. C'est aussi le cas des piles boutons zinc-air, il faut enlever la languette qui ferme l'élément avant de le mettre en service.

La valeur en ampères-heures n'est comparable que pour des tensions similaires. En courant continu, l'énergie est le multiple de l'intensité et du temps par la tension. On obtient donc :

1 W∙h ↔ (1 A·h × 1 V) ↔ (1 A × 1 h × 1 V)

Il ne faut pas confondre la capacité d'une pile (exprimé en Ampère.heure) et la puissance qu'elle peut délivrer (exprimé en Volt.Ampère).

Par convention, on donne la capacité comme étant l'intensité qu'elle peut soutenir pendant dix heures jusqu'à 80 % de sa tension nominale. En effet, plus l'intensité est forte, plus rapide est la dépolarisation de la pile.

Assemblage en série

Beaucoup de piles sont utilisées par groupe de 2 à 6 éléments en série. La performance d'un assemblage de piles branchées en série est celle de son élément le plus faible.

Utilisation des piles

Consommation

En 2004, 875 millions de piles ont été vendues en France (alcalines 75 %, salines 22 %, rechargeables 2 %)8, 100 millions en Belgique en l'an 2000.

Fabricants

Parmi les fabricants de piles, on peut citer Duracell, Energizer, Sony, Rayovac, Varta, Philips, Panasonic, Saft, Kodak, Maxell, etc.

Efficacité énergétique

En moyenne, les piles électriques sont jetées alors qu'elles possèdent encore un tiers d'énergie utilisable, et 1/10 serait encore presque neuve. En effet, les appareils électroniques (appareil photo numérique, lecteur MP3, etc.) ont besoin d'une tension minimale pour fonctionner. Or, la tension de l'ensemble baisse au cours de la décharge, mais à une vitesse différente selon l'élément. Les piles possédant encore une certaine capacité peuvent alors encore être utilisées pour alimenter des appareils moins exigeants (réveil, jouet, lampe de poche, télécommande, etc.).

Sécurité

Le principal danger direct pour l'homme est, de loin, l'ingestion par les jeunes enfants de piles de petites taille. Si les constituants de la pile sont libérés dans le tube digestif, ils peuvent provoquer un empoisonnement.

Réutilisation des piles électriques

D'un point de vue électro-chimique, les couples redox des piles alcalines zinc-manganèse (à l'anode et à la cathode) sont partiellement réversibles. Les réactions chimiques inverses sont donc possibles. La chute de tension de la pile, qui se produit naturellement lors de la décharge, peut être inversée par l'injection d'un courant, qui va favoriser la réaction inverse. Ce qui explique que les piles alcalines peuvent être réutilisées jusqu'à plusieurs dizaines de fois avec des circuits électroniques adaptés 

Les fabricants de piles, qui n'ont pas conçu les piles alcalines pour qu'elles soient réutilisables, recommandent de jeter les piles après un seul cycle de décharge. Ils mettent en avant des risques potentiels d'échauffement des piles, de fuite et d'explosion (due à la pression de dihydrogène gazeux libéré et à la mauvaise reconstitution de l'amalgame de zinc métallique). Néanmoins, des régénérateurs de piles alcalines existent et sont commercialisés.

Recyclage

Photographie de piles usagées.

Les piles contiennent des métaux (nickel, cadmium, mercure, plomb, fer, zinc ou lithium) dont certains sont précieux, et souvent toxiques et écotoxiques (nocifs pour l'environnement). L'enveloppe de la pile se décompose tôt ou tard, et libère les produits chimiques qu'elle contient.

Aucune pile commerciale n'est biodégradable.

En France, les piles ne doivent donc pas être jetées dans une poubelle ordinaire, mais amenées à un point de collecte (déchetteries, points de ventes...) pour être recyclées.

La législation française tend à réduire la teneur en certains métaux toxiques des piles (mercure notamment), et à favoriser leur collecte et leur recyclage. En France, le décret n^o 2009-1139 du 22 septembre 2009 transposant la directive européenne 2006/66/CE précise que « Les piles et les accumulateurs mis sur le marché, y compris ceux qui sont intégrés dans des équipements électriques et électroniques [...], ne contiennent pas plus de 0, 0005 % de mercure en poids, à l'exception des piles bouton dont la teneur en mercure est inférieure à 2 % en poids, et pour les piles et accumulateurs portables pas plus de 0, 002 % de cadmium en poids. » et « Les distributeurs de piles et accumulateurs portables reprennent gratuitement, et sans obligation d'achat de piles ou d'accumulateurs neufs, les piles et accumulateurs portables usagés du même type que ceux qu'ils commercialisent qui leur sont apportés par les utilisateurs. Ils informent les utilisateurs de la possibilité d'apporter des piles et accumulateurs portables usagés sur leurs points de vente. Les conteneurs mis à la disposition des utilisateurs à cet effet sont mis en évidence et facilement accessibles. ».

Le recyclage permet de récupérer des métaux réutilisables (fer, manganèse, zinc et mercure principalement) ; la valorisation matière représente 87,3 % en masse des piles traitées en 2011, la valorisation énergétique (incinération des plastiques et de certains résidus de broyage) 9,2 %, les 3,5 % restant étant éliminés sans valorisation14.

Le taux de collecte est le rapport (en masse) entre la quantité de piles collectée et celle vendue. Depuis le début du recyclage, il est faible, et n'atteint jamais les objectifs.

• En France en 2011, 11 621 t de piles et d'accumulateurs (hors automobile et industrie) ont été collectées et recyclées selon l'Ademe, soit un taux de collecte de 36 %14, et ce taux serait encore sous les 50 % (46 %) en 2016 selon Eucobat (la filière française fondée par Corepile et Screlec15.
• La Suisse est la première au monde avec 70 % des piles collectées ; une écotaxe (comprise dans le prix de vente) en finance le recyclage.
• L'objectif européen, fixé par la directive 2006/66/CE, est de 25 % en 2012 et 45 % en 2016.

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