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Pile électrique

Une pile électrique ou simplement une pile est un dispositif électrochimique, ce système transforme l'énergie d'une réaction chimique en énergie électrique. Dans une pile les réactifs sont introduits à la fabrication, quand ils sont épuisés on doit remplacer la pile par une neuve.

Par extension et, parfois par abus de langage, le terme pile désigne d'autres générateurs électrochimiques : accumulateur électrique (Un accumulateur électrique ou simplement un accumulateur pour les techniciens accu, est un dispositif destiné à stocker l'énergie électrique, sous forme électrique (condensateur) ou accumulateurs électrochimiques,...), pile à combustible (Une pile à combustible est une pile où la fabrication de l'électricité se fait grâce à l'oxydation sur une électrode d'un combustible réducteur (par exemple l'hydrogène)...).

Principe

Symbole
Symbole

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). Une telle réaction est appelée une oxydo-réduction.

Chaque élément du couple oxydant/réducteur est relié à une électrode. Ces électrodes, lorsqu'elles sont reliées à un consommateur électrique, provoquent la circulation (La circulation routière (anglicisme: trafic routier) est le déplacement de véhicules automobiles sur une route.) d'un courant électrique ; la réaction chimique provoque une circulation de charges (électrons, ions). Une pile fournit donc du courant continu (Le courant continu (CC), par opposition au courant alternatif, est un courant électrique unidirectionnel : le courant circule à chaque instant dans le même sens, le déplacement des électrons se fait toujours dans le même sens.).

  • la borne (-) d'une pile correspond à l'anode (L'anode est l'électrode où a lieu une réaction électrochimique d'oxydation (menant à la production d'électrons) par opposition à la cathode où se produit une réaction électrochimique de réduction...) où se produit la réaction d'oxydation qui va fournir les électrons.
  • la borne (+) d'une pile correspond à la cathode (La cathode est une électrode siège d'une réduction, que l'on qualifie alors de réduction cathodique. Elle correspond à la borne positive (+) dans une pile électrique qui débite...) 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 (Une pile électrique ou simplement une pile est un dispositif électrochimique, ce système transforme l'énergie d'une réaction chimique en énergie électrique. Dans une pile les réactifs sont introduits à la fabrication, quand ils sont épuisés on...) peut contenir plusieurs de ces couples montés en série, ce qui permet d'augmenter la tension (La tension est une force d'extension.) disponible aux bornes de la pile.

Il est possible de réaliser une pile artisanale, par exemple en piquant dans un citron (Le citron est un agrume, fruit du citronnier. Le citronnier (Citrus limon) est un arbuste de 5 à 10 m de haut, à feuilles persistantes.) un trombone déplié (en acier) et un fil électrique (Un fil électrique, ou câble électrique est un organe fait d'un matériaux conducteur servant au transport de l'électricité. Il peut être mono-brin ou multi-brin, entouré ou non d'une enveloppe isolante (plastique, téflon, etc.)...) 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 (La pomme est le fruit du pommier, arbre fruitier largement cultivé. L'étude de la culture des pommes constitue une partie de la pomologie, la pomologie englobant tous les fruits à pépins. La...) de terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et la plus massive des...).

Histoire

piles format AAA
piles format AAA

Il existe des objets archéologiques ressemblant à des piles. C'est par exemple le cas de la pile électrique de Bagdad (Bagdad (en arabe ?????) est la capitale et la plus grande ville de l'Irak. Elle se situe sur le Tigre au centre est du pays (44,5° E - 33,5° N) et est un carrefour de communications aériennes, routières et ferroviaires pour le pays. C'est aussi la...) qui est datée entre -250 et +250. L'hypothèse faisant de ces objets des piles électriques, bien que plausible, reste cependant non prouvée et est donc controversée. Il n'existe par ailleurs aucun lien historique entre ces objets et le développement des piles contemporaines.

En 1786, Luigi Galvani, observe que les muscles d'une cuisse (La cuisse est la partie du membre inférieur unissant chez l'Homme le bassin à la jambe. Sa fonction est essentiellement locomotrice.) de grenouille (Le terme grenouille est un nom vernaculaire donné à certains amphibiens, principalement dans le genre Rana. À un de ses stades de développement, la larve de la grenouille est appelée un...) se contractent quand elle est mise en contact avec des métaux, de la même manière que lorsqu'on la branche sur une machine électrostatique (Une machine électrostatique est une machine qui permet d'accumuler des charges électriques par frottement sur une boule ou condensateur dont le potentiel monte.). Il découvre que la réaction est plus forte quand on utilise un instrument composé de deux métaux différents.

À partir des travaux de Galvani, Alessandro Volta (Le comte Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta (18 février 1745 - 5 mars 1827) était un physicien italien. Il est connu pour ses travaux sur l'électricité, et pour l'invention de la pile électrique.) crée en 1800 la première pile à colonne : ces premiers systèmes étaient constitués d'un 'empilement' de disques de deux métaux différents séparés par des disques de feutre, imbibés d'acide (Un acide est un composé chimique généralement défini par ses réactions avec un autre type de composé chimique complémentaire, les bases.), d'où le nom de l'invention. La pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) 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, constitués d'empilements plus petits montés en série. Dès 1802 William Cruikshank crée la pile à auge en disposant verticalement les lames de zinc (Le zinc (prononciation /zɛ̃k/ ou /zɛ̃ɡ/) est un élément chimique, de symbole Zn et de numéro atomique 30.) et de cuivre (Le cuivre est un élément chimique de symbole Cu et de numéro atomique 29. Le cuivre pur est plutôt mou, malléable, et présente sur ses surfaces fraîches une teinte rosée à...) dans un bac à parois isolantes rempli d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) acidulée. Elle est beaucoup plus simple à produire que la pile de Volta.

Piles polarisables

Principe de la pile Volta
Principe de la pile Volta

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 (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière...) 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 polarisation des ondes électromagnétiques ; la polarisation dûe aux moments dipolaires dans les matériaux diélectriques ; En...).

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 hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) sur le cuivre qui empêchent le passage du courant. Au bout d'un certain temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.), 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 (Davy (titre original : Davy) est un roman de Edgar Pangborn publié en 1964.) fait construire une pile Cruikshank constituée de 200 auges et de 2 000 couples à l'institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le...) Royal de Londres (Londres (en anglais : London - /?l?nd?n/) est la capitale ainsi que la plus grande ville d'Angleterre et du Royaume-Uni. Fondée il y a plus de 2 000 ans par les Romains, la ville est aujourd'hui devenue un...). 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

Principe de la pile Daniell
Principe de la pile Daniell

Dans ces piles les produits de la réaction d'oxydo-réduction utilisée n'altèrent pas les propriétés électrochimiques de l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments 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 (L'intestin est la partie du système digestif qui s'étend de la sortie de l'estomac à l'anus. Chez les humains et la plupart des...) du bœuf, qui la sépare de l'électrode de cuivre placées 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 (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.). Sur le principe de la pile Daniell, on créera par la suite plusieurs amélioration technologiques comme les piles Callaud qui seront utilisées par les compagnies de téléphone (Le téléphone est un système de communication, initialement conçu pour transmettre la voix humaine.) dans les années 1860.

Johann Christian Poggendorf invente en 1842 la pile à bichromate: elle dégage de l'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.) qui se recombine avec l’hydrogène responsable de la polarisation. Créée en 1850, la pile Grenet est une pile à un seul liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.), avec des électrodes en charbon et en zinc amalgamé (plongé dans le mercure) dans un électrolyte d'acide sulfurique et de bichromate de potasse. Quand la pile n'était pas utilisée, il était cependant 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 XXe siècle : la puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) et la tension élevée des piles au bichromate a été longtemps appréciée au laboratoire. Elles ont été peu utilisées comme pile domestique à cause de la toxicité du bichromate et des problèmes d'entretien de l'électrode.

Piles à dépolarisation

piles boutons
piles boutons

Ces piles 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 (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des cations et former des liaisons métalliques ainsi que des liaisons ioniques dans le cas des métaux alcalins. Les métaux sont...) rare. En 1843 Robert Wilhelm Bunsen remplace le platine par du charbon ce qui réduit notablement les coûts. 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 : le dioxyde de manganèse. La pile Leclanché est moins puissante que la pile bouteille (Sur les anciens navires à voiles, on appelait les bouteilles deux petits compartiments, un de chaque côté du tableau arrière servant de toilettes aux officiers du bord.) mais ne nécessite aucun entretien ( elle "ne s'use que si l'on s'en sert" comme dira la publicité (Bien que le terme (Werbung en allemand, Publicity et Advertising en anglais) désignât d'abord le mot qui aux yeux d'Habermas qualifie la Modernité et la Démocratie...) 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 aujourd'hui.

Samuel Ruben et Philipp Rogers Mallory créent la pile au mercure pendant la Seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une unité de mesure du temps. La seconde...) Guerre mondiale. La première pile alcaline grand public sera conçue par Lewis Urry en 1959 pour Union Carbide.

En 1970 les premières piles au lithium (Le lithium est un élément chimique, de symbole Li et de numéro atomique 3.), qui permettent de remplacer le zinc par un métal plus réducteur, sont mises au point (Graphie). Elles sont commercialisées en 1977.

Des piles ont été utilisées comme références pour définir une norme (Une norme, du latin norma (« équerre, règle ») désigne un état habituellement répandu ou moyen considéré le plus souvent comme une règle à suivre. Ce terme générique...) 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.

Types de piles

Une pile de 4,5V - LR12
Une pile de 4,5V - LR12

La plupart des cellules voltaïques sont limitées à 1,5 V, en raison des potentiels électrochimiques de leurs composants. Les cellules à base de lithium peuvent fournir des tensions plus élevées (jusqu'à 3 Volts).

Formats

La capacité d'une pile est souvent exprimée en ampères-heures (1 Ah = 3600 coulombs). Si une pile peut fournir un ampère (Ampère peut désigner :) (1 A) de courant pendant une heure (L'heure est une unité de mesure  :), elle a une capacité de 1 Ah. Si elle peut fournir 1 A pendant 100 heures ou 2 A pendant 50 h, etc. , sa capacité est de 100 Ah. Elle est directement dépendante de la quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur d’une...) d'électrolyte et d'électrode dans la pile.

La capacité d'une pile dépend aussi d'autres facteurs comme l'intensité du courant, la durée d'utilisation, la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante,...) ... Les fabricants de batteries emploient donc une méthode standard pour évaluer leurs piles. La loi de Peukert modélise la capacité d'une pile en fonction du courant débité.

Le format des piles électriques est normalisé par la Commission électrotechnique (Étymologiquement l'électrotechnique désigne l'étude des applications techniques de l'électricité. En réalité, l'électrotechnique regroupe les disciplines traitant l'électricité en tant...) internationale (CEI) et par l'American National Standards Institute (ANSI). Bien que la norme CEI soit devenue un standard, un certain nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) d'appellations propres aux fabricants de piles subsiste. La correspondance (La correspondance est un échange de courrier généralement prolongé sur une longue période. Le terme désigne des échanges de courrier personnels plutôt qu'administratifs.) entre les différents formats est accessible ici : Nommage commercial (Un commercial (une commerciale) est une personne dont le métier est lié à la vente.) des piles et accumulateurs électriques.

Classification standard des piles et accumulateurs
Code Pile Code Accu Forme et dimensions (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou bien son diamètre si c'est une pièce de révolution.) Tension
Code CEI Code ANSI Code CEI
(L)R01 N RC01 Cylindre (Un cylindre est une surface dans l'espace définie par une droite (d), appelée génératrice, passant par un point variable décrivant une courbe plane fermée (c), appelée courbe directrice et...), Longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur est celle de l’objet...) 30,2 mm, Diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la sphère.) 12 mm 1,5 V
(L)R03 AAA RC03 Cylindre, Longueur 44,5 mm, Diamètre 10,5 mm 1,5 V
(L)R06 AA RC06 Cylindre, Longueur 50 mm, Diamètre 14,2 mm 1,5 V
(L)R14 C RC14 S Cylindre, Longueur 46 mm, Diamètre 26 mm 1,5 V
(L)R20 D RC20 S Cylindre, Longueur 58 mm, Diamètre 33 mm 1,5 V
3(L)R12 1203 Prisme dont la base est un rectangle aux coins arrondis, 67 mm × 62 mm × 22 mm 4,5 V
6(L)F22 PP3 RC22 Parallélépipède (En géométrie dans l'espace, les parallélépipèdes sont des hexaèdres dont les six faces sont des parallélogrammes.) rectangle, 69,9 mm × 34,5 mm × 34,5 mm 9 V

Note : dans la classification CEI, R représente les piles zinc-carbone, LR les piles alcalines, RC les accumulateurs. Les autres technologies sont généralement écrites en toutes lettres sur l'emballage.

Technologies

Depuis décembre 1998 les piles au mercure sont interdites en Europe (L’Europe est une région terrestre qui peut être considérée comme un continent à part entière, mais aussi comme l’extrémité occidentale du...) (directive 98/101/CE) et aux États-Unis pour des problèmes environnementaux. Il existe donc trois grandes technologies de piles grand public :

  • Pile "alcaline" 1,5 V.
  • Pile "saline carbone-zinc" 1,5 V. Pour des appareils à faibles besoins.
  • Pile "lithium 1,5 V" (appelée aussi L91) Elle risque d’exploser si on tente de la recharger, capable de maintenir très longtemps la tension électrique.[1]
  • On trouve aussi des piles à l'oxyde d'argent (L’argent ou argent métal est un élément chimique de symbole Ag — du latin Argentum — et de numéro atomique 47.) (certaines piles boutons pour montre) ou des piles air-zinc (utilisées notamment dans les prothèses auditives).

Utilisation des piles

En moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de quantités : elle exprime la grandeur qu'auraient chacun des membres de l'ensemble s'ils étaient tous...) les piles électriques sont jetées alors qu'elles possèdent encore un tiers d'énergie utilisable.[2] En effet les appareils électroniques (appareil photo digital, lecteur MP3...) ont besoin (Les besoins se situent au niveau de l'interaction entre l'individu et l'environnement. Il est souvent fait un classement des besoins humains en trois grandes catégories : les besoins primaires, les besoins secondaires et les...) d'une tension minimale pour fonctionner, or la tension des piles baisse au cours de leur décharge. De telles piles (alcalines ou charbon-zinc) peuvent alors encore être utilisées pour alimenter des appareils moins exigeants (réveil, jouet, lampe de poche, télécommande (Les télécommandes sont des dispositifs, généralement de taille réduite, servant à en manipuler un autre à distance, via un câble, par infrarouge ou ondes radio. Les télécommandes servent à interagir avec des jouets,...)...).

La performance d'un ensemble de piles est celle de son élément le plus faible : il faut donc changer toutes les piles en même temps et utiliser des modèles similaires.

En général 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 (air-bag, balise de détresse de bateau (Un bateau est une construction humaine capable de flotter sur l'eau et de s'y déplacer, dirigé ou non par ses occupants. Il répond aux besoins du transport maritime ou fluvial, et permet diverses activités telles que le...)...) ou dans certaines applications militaires.

Recyclage (Le recyclage est un procédé de traitement des déchets industriels et des déchets ménagers qui permet de réintroduire, dans le cycle de production d'un produit, des matériaux qui le composent. L'un des exemples qui illustre...)

piles usagées
piles usagées

Les piles sont des déchets dangereux. Elles contiennent des métaux (nickel - cadmium - mercure - plomb (Le plomb est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Pb et de numéro atomique 82. Le mot et le symbole viennent du latin plumbum.) - fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le métal de transition et le matériau ferromagnétique le plus courant...) - zinc - lithium) dont certains sont toxiques et nocifs pour l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux écologiques actuels, le...). Le plomb et le mercure, notamment, sont des poisons pour les humains et les animaux. Les piles ne doivent pas être jetées dans une poubelle ordinaire, mais rapportées dans un point de collecte.

En France, les vendeurs qui commercialisent des piles et des batteries sont tenus de les reprendre gratuitement une fois usagées. Les piles doivent ensuite être valorisées ou éliminées. En Suisse, une taxe comprise dans le prix de vente finance le recyclage des piles. En Belgique, environ 70 % des piles étaient collectées en 2000. En France en 2006, près de 9 000 tonnes on été collecté et recyclé selon l'Ademe [3]

Le recyclage permet de récupérer des métaux réutilisables (fer, manganèse, zinc et mercure principalement). Mais les piles ne sont pas recyclables à 100 %, et les scories résiduelles doivent être déposées dans des décharges.

Marché

En 2004, 875 millions de piles ont été vendues en France (alcalines 75%, salines 22%, rechargeables 2%) [4], 100 millions en Belgique en l'an 2000 [3].

Parmi les fabricants de piles, on peut citer : Duracell, Energizer, Sony, Rayovac, Varta, Phillips, Panasonic, Saft, Kodak...

Notes

  1. http://www.ife.ee.ethz.ch/~zinniker/batak/ideal/francais/index.html
  2. La fausse mort (La mort est l'état définitif d'un organisme biologique qui cesse de vivre (même si on a pu parler de la mort dans un sens cosmique plus général, incluant par exemple la mort des...) des piles, brochure de la plate-forme d’information des cantons romands.
  3. ab http://www.observ.be/FR/Piles/piles.shtml
  4. Qui sont les champions... des piles Le journal du Management 26/04/2006
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