Sciences · Chimie
Piles et batteries
Une pile convertit l’énergie d’une réaction d’oxydoréduction en électricité : les électrons passent du réducteur à l’oxydant par un circuit extérieur. Une batterie fait de même, mais se recharge.
Mis à jour le 5 min de lecture
Dans une réaction d'oxydoréduction ordinaire, comme un clou de fer plongé dans une solution de sulfate de cuivre, les électrons passent directement du réducteur à l’oxydant et l’énergie se perd en chaleur. Une pile sépare physiquement les deux réactifs et oblige les électrons à faire un détour par un fil : on récupère alors un courant électrique. Depuis la pile d’Alessandro Volta, présentée en 1800, ce principe alimente les télécommandes, les téléphones et désormais les voitures électriques.
Les éléments d’une pile
| Élément | Rôle |
|---|---|
| Anode (pôle −) | le réducteur y cède des électrons au circuit |
| Cathode (pôle +) | l’oxydant y capte des électrons venus du circuit |
| Électrolyte | milieu conducteur ionique, liquide, gélifié ou solide |
| Séparateur ou pont salin | sépare les deux compartiments tout en laissant passer les ions |
| Circuit extérieur | les électrons y circulent de l’anode vers la cathode |
Dans le fil, le courant est porté par les électrons ; dans l’électrolyte, par les ions. Le sens conventionnel du courant va du pôle + au pôle −, à l’inverse des électrons.
L’exemple de la pile Daniell
Inventée par John Frederic Daniell en 1836, elle comporte une lame de zinc dans une solution de sulfate de zinc et une lame de cuivre dans une solution de sulfate de cuivre, reliées par un pont salin.
- À l’anode (zinc) : Zn → Zn²⁺ + 2 e⁻
- À la cathode (cuivre) : Cu²⁺ + 2 e⁻ → Cu
- Bilan : Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu
Au fil du fonctionnement, la lame de zinc s’amincit, du cuivre se dépose sur l’autre lame et la solution bleue de sulfate de cuivre pâlit. La pile s’arrête quand l’un des réactifs est épuisé. Sa tension à vide vaut environ 1,1 V.
Tension et capacité
- Force électromotrice (f.é.m., en volts) : tension à vide, fixée par la différence des potentiels des deux couples oxydant/réducteur. Plus les couples sont éloignés dans l’échelle des potentiels, plus la tension est élevée. Le lithium, réducteur très puissant, permet des tensions de 3 à 4 V par élément.
- Capacité (en ampères-heures, A·h, ou mA·h) : quantité d’électricité que la pile peut débiter. Elle dépend de la quantité de réactifs ; une mole d’électrons transporte environ 96 485 coulombs (constante de Faraday).
- Énergie (en wattheures, W·h) : produit de la tension par la capacité. Une batterie de téléphone de 4 000 mA·h sous 3,85 V stocke environ 15 W·h.
Les piles courantes (non rechargeables)
| Type | Anode | Cathode | Électrolyte | Tension | Usage |
|---|---|---|---|---|---|
| Saline (Leclanché) | zinc | dioxyde de manganèse | chlorure d’ammonium ou de zinc | 1,5 V | appareils peu gourmands |
| Alcaline | zinc en poudre | dioxyde de manganèse | potasse (KOH) | 1,5 V | télécommandes, jouets |
| Lithium-dioxyde de manganèse | lithium | MnO₂ | solvant organique | 3 V | piles bouton CR2032, appareils photo |
| Zinc-air | zinc | dioxygène de l’air | potasse | 1,4 V | aides auditives |
Les batteries (accumulateurs)
Dans un accumulateur, la réaction peut être inversée : en imposant un courant de sens contraire au moyen d’un chargeur, on force la réaction non spontanée et on régénère les réactifs. La recharge est donc une électrolyse.
| Technologie | Tension par élément | Énergie massique approximative | Usages |
|---|---|---|---|
| Plomb-acide | 2,0 V | 30 à 40 W·h/kg | batteries de démarrage des voitures |
| Nickel-cadmium | 1,2 V | 40 à 60 W·h/kg | ancien outillage (cadmium restreint dans l’UE) |
| Nickel-hydrure métallique (NiMH) | 1,2 V | 60 à 120 W·h/kg | piles rechargeables AA, voitures hybrides |
| Lithium-ion | 3,6 à 3,7 V | 150 à 270 W·h/kg | téléphones, ordinateurs, voitures électriques |
| Lithium-fer-phosphate (LFP) | 3,2 V | 90 à 160 W·h/kg | voitures électriques, stockage stationnaire |
La batterie plomb-acide
Inventée par Gaston Planté en 1859, c’est le plus ancien accumulateur encore utilisé. Au cours de la décharge, le plomb (pôle −) et le dioxyde de plomb (pôle +) se transforment tous deux en sulfate de plomb, en consommant l’acide sulfurique de l’électrolyte. Lourde mais bon marché et capable de fournir de fortes intensités, elle est aussi l’un des produits les mieux recyclés.
La batterie lithium-ion
Ses ions lithium font la navette entre deux électrodes qui les accueillent dans leur structure : une électrode de graphite et un oxyde métallique (cobalt, nickel, manganèse) ou un phosphate de fer. À la décharge, les ions Li⁺ quittent le graphite et migrent vers l’oxyde, pendant que les électrons passent par le circuit. Le prix Nobel de chimie 2019 a récompensé John Goodenough, Stanley Whittingham et Akira Yoshino pour son développement.
Piles à combustible
Une pile à combustible est alimentée en continu par ses réactifs, par exemple dihydrogène et dioxygène. La réaction 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O produit de l’électricité, de la chaleur et de l’eau, sans combustion. Elle équipe des véhicules, des engins spatiaux et des groupes électrogènes.
Recyclage
Piles et batteries contiennent des métaux toxiques ou précieux (plomb, cadmium, nickel, cobalt, lithium, manganèse). Elles ne doivent jamais être jetées avec les ordures ménagères mais déposées dans les points de collecte des magasins et des déchetteries.
Questions fréquentes
Quelle est la différence entre une pile et une batterie ?
Une pile n’est pas rechargeable : sa réaction ne peut pas être inversée efficacement. Une batterie (accumulateur) est rechargeable. Au sens strict, une batterie désigne un assemblage de plusieurs éléments, comme la batterie 12 V d’une voiture, qui compte six éléments de 2 V.
Pourquoi une pile finit-elle par s’user ?
Parce que ses réactifs s’épuisent : quand le réducteur ou l’oxydant est entièrement consommé, la réaction s’arrête et le courant cesse.
Peut-on recharger une pile alcaline ?
Non : elles ne sont pas conçues pour cela et risquent de fuir, voire d’éclater. Il existe des piles rechargeables au même format (NiMH, lithium) à utiliser avec un chargeur adapté.