Pile électrique

Générateur électrique de courant continu, la pile électrique (ou électrochimique) transforme une partie de l’énergie chimique venant d’une réaction d’oxydo-réduction en énergie électrique. Dans une pile, lorsque les réactifs sont épuisés, la tension devient nulle et on doit remplacer la pile usagée, car contrairement à la batterie (cf. Produit du Jour à venir), la pile ne se recharge pas en général

Le mot « pile » vient de l’invention en 1800 d’un assemblage de rondelles de zinc (cf. Zinc) et de cuivre (cf. Cuivre) avec des rondelles de carton imbibées d’une solution saline, dans cet ordre sur une baguette de bois. Alessandro Volta, puisque c’était lui, constata en touchant les deux extrémités de la pile formée qu’il ressentait une petite décharge électrique ; deux fils métalliques en contact avec le haut et le bas montraient, quand on les rapprochait, une petite étincelle comme avec la machine de Ramsden, récemment inventée, productrice d’électricité électricité statique.
La « pile à colonne » était inventée : elle ouvrait une ère de grand progrès pour la science et l’industrie.
  • Les piles électriques présentent toutes :
    • deux électrodes constituées d’un métal conducteur ou de carbone,
    • un ou plusieurs électrolytes nécessaires aux réactions d’oxydation ou de réduction,
    • un pont salin ou une paroi poreuse qui permet le passage du courant.

Reprenons l’exemple de la pile de Volta Cu/Zn. Lorsque la pile fonctionne, la réaction électrochimique s’écrit :
Zn + Cu2+ ------> Zn2+ + Cu
La borne négative est constituée par le zinc qui est donneur d’électrons : Zn = Zn2+ + 2e-. La borne positive est constituée par le cuivre où dans la demi pile : Cu2+ + 2e- = Cu. En généralisant dans les deux demi-piles, à la borne négative il y a oxydation du réducteur : Réd1 = Ox1 + ne et à la borne positive il y a réduction de l’oxydant : Ox2 + ne = Réd2.

  • Lorsque la pile débite dans un circuit extérieur :
    • les électrons circulent dans les fils conducteurs de la borne négative vers la borne positive (alors que le sens conventionnel du courant est de + vers –),
    • dans le pont salin les ions se déplacent dans la demi-pile de l’électrode négative qui s’enrichit en cations on apporte des anions (Cl) et dans la demi-pile de l’électrode positive qui s’appauvrit en cations on y apporte des cations (K+).
      La pile de Volta fut évidemment perfectionnée. William H. Wollaston entoure l’électrode de zinc par l’électrode de cuivre. En 1813, Napoléon étonné que l’invention ne fût pas française fournit une pile de 600 couples Cu/Zn avec des plaques de 90 cm2 et de surface totale de 50 m2 à l’École Polytechnique pour études et recherches. On s’aperçut cependant que dans ces piles Cu/Zn la tension baissait drastiquement au cours du fonctionnement. En effet, la réduction de l’acide de l’électrolyte produit un dégagement d’hydrogène sur le cuivre qui empêche le passage du courant.
Ce n’est qu’en 1829 que Antoine C. Becquerel (le grand-père d’Henri…) comprend le phénomène de polarisation et invente la pile à deux liquides séparés, en enfermant la plaque de zinc dans un petit sac fabriqué à partir du gros intestin de bœuf, le tout dans une solution de sulfate de cuivre contenu dans un récipient en cuivre. Le principe est amélioré par John F. Daniell en 1836 qui isole l’électrode de zinc par une céramique poreuse plutôt que par une baudruche. La pile Daniell fut largement utilisée par ceux qui cherchaient un courant stable. En 1838, William R. Grove remplace la lame de cuivre par le platine qui se polarise moins et acidifie l’électrolyte par l’acide nitrique (cf. Acide nitrique).
Robert Bunsen (cf. Robert Bunsen) en 1843, remplace le platine par un conducteur moins cher, le charbon de cornue qui est du graphite fin compressé.
La voie était ouverte pour qu’en 1868 un ingénieur parisien Georges Leclanché crée une pile dans un bocal de verre avec un crayon de zinc amalgamé (c’est à dire décapé au mercure) et un cylindre de terre poreuse où est placée une plaque de charbon de cornue et un dépolarisant composé de dioxyde de manganèse, MnO2 (cf. Oxydes de manganèse), et de charbon, le tout dans un électrolyte comportant du chlorure d’ammonium, NH4Cl.
Cette pile convient aux usages intermittents et elle ne se corrode pas quand le fonctionnement est interrompu : « elle ne s’use que si l’on s’en sert ». Les piles de type Leclanché sont les plus utilisées dans le monde.

Les piles dites sèches contiennent le chlorure d’ammonium gélifié par de l’agar agar. Ces piles comportent au pôle négatif du zinc en contact avec le gel riche en ZnCl2 + NH4Cl qui sert d’électrolyte et imprègne une poudre de dioxyde de manganèse mélangée à du carbone qui sert de conducteur électrique. Le pôle positif est constitué d’un bâton de graphite entouré de dioxyde de manganèse.

  • Les réactions électrochimiques sont :
    • au pôle négatif, le couple Zn/Zn2+, Zn ------> Zn2+ + 2 e
    • au pôle positif, 2 MnO2 + H+ + e ------> MnOOH
      La réaction d’échange électrique globale est :
      Zn + 2 MnO2 + 2 H+ ------> Zn2+ + 2 MnOOH
      engendrant un potentiel de 1,5V. C’est la majorité des piles actuelles jetables : on en fabrique annuellement des dizaines de milliards de par le monde. On estime que les français en consomment plus de 600 millions par an malgré la concurrence des piles rechargeables, Ni-Cd, Ni-MH ou Li-Ion.
  • Les différentes piles sont :
    • les piles alcalines 1,5 V, à base de Zn/Zn(OH)42–/K+ // OH /MnO(OH)MnO2/C
    • les piles salines 1,5 V, à base de Zn/Zn2+/NH4+ // Cl–/MnO(OH)/MnO2/C
    • les piles au lithium 1,5V, pouvant donner une intensité plus élevée
    • les piles à oxyde d’argent, à base de Zn/ZnO // Ag2O/Ag/C : les piles boutons des montres.
Les piles entrainent des déchets qui peuvent nuire à l’environnement, car elles contiennent des métaux lourds (zinc, manganèse, nickel, cadmium, mercure, argent, etc.). Elles ne doivent donc pas être jetées dans des poubelles ordinaires mais doivent être collectées pour pouvoir être recyclées.
Selon l’ADEME c’est près de 10 000 t qui sont rassemblées et recyclées annuellement en France.

Pensée du jour :
« Anode et cathode sont les deux mamelles de l’électrochimie. »

Sources :

Pour en savoir plus :

Déjà membre de la SCF ?

J'adhère