Les piles

Les piles
I) Un peu d'histoire
1789 : Luigi Galvani découvre l'électrochimie
A la fin du 18e siècle, le médecin et physicien italien Luigi Galvani, constate que les muscles d'une
cuisse de grenouille se contractent lorsqu'elle est mise en contact avec des métaux. Il découvre
également que la réaction est plus forte si l’instrument utilisé se compose de deux métaux différents.
Galvani met ainsi en évidence un phénomène nouveau, point de départ de tous les développements de la
science moderne : "l'électricité animale".
1800 : Alessandro Volta crée la première pile
À partir des travaux de Galvani, Alessandro Volta crée près de dix années plus tard, la première pile à
colonne. En effet, le physicien italien découvre que l'on peut générer de l'électricité avec deux plaques
de métal mises en contact par un liquide conducteur. Volta superpose alors des disques de zinc et de
cuivre et des rondelles de carton imbibées d'eau salée pour conduire le courant, formant ainsi une pile,
d'où le nom donné à son invention.
1886 : Georges Leclanché invente la pile moderne
En 1886, le chimiste français Georges Leclanché améliore le système en substituant l'électrode de cuivre
par une tige de charbon et la solution salée par une pâte de chlorure d'ammonium. Cette pile, appelée
pile sèche, est ainsi plus compacte et surtout transportable. La pile moderne est née !
II) Pile saline
Les deux couples oxydant/réducteur
intervenant dans ce type de pile sont
Zn2+(aq)/Zn(s) et MnO2(s)/MnO(OH)(s).
Le zinc Zn est oxydé à l’anode :
Zn = Zn2+ + 2 e¯.
L’oxyde de manganèse MnO2 est lui réduit
à la cathode :
MnO2 + H+ + e- = MnO(OH)
L’équation générale de la réaction
d’oxydoréduction est donc la suivante :
Zn + 2 MnO2 + 2 H+ = Zn2+ + 2 MnO(OH)
Le pont ionique est constitué du sel de chlorure d’ammonium NH4+ + Cl-, dont les ions sont
chimiquement inertes. Ils servent à assurer le passage du courant dans la pile ainsi que la neutralité
électrique des solutions.
L’écriture d’une telle pile est symbolisée comme suit :
( ) Zn / Zn2+ / NH4+ + Cl- / MnO(OH) / MnO2 / C (+)
Le signe C indique que l’électrode du pôle positif est en carbone (graphite).
III) Pile alcaline
Les couples redox mis en jeu sont les mêmes que
pour la pile saline.
C'est pourquoi la fem est rigoureusement la même.
La différence réside dans la nature de l'électrolyte.
IV) Caractéristiques des piles alcaline et saline:
Pile alcaline
Electrolyte
fem
Temps de
décharge
Potasse (K++HO-)
(le potassium étant un Métal Alcalin d'où le nom
d'Alcaline)
1,5 V
50 à 60 heures
Se décharge de 1,5 V et 1,2 V au bout d'une dizaine
d'heures, puis sa tension reste constante à 1,2 V une
quarantaine d'heures, avant de décroître régulièrement
entre 1,2 V et 0 V
Pile saline
Chlorure d'ammonium
(composé ionique appelé
autrefois sel d'où le nom de
saline)
1,5 V
20 à 25 heures
Se décharge de manière
régulière de 1,5 V à 0 V
Energie
volumique
0,24 W.h.cm-3
0,18 W.h.cm-3
Rapport
qualité/prix
Plus chère qu'une pile saline mais plus performante
(2,94 € le lot de 4)
(source: Bricocommerce)
Moins chère
qu'une pile alcaline mais moins
performante
(1,67 € le lot de 4)
V) Les piles bouton
De compositions variables, elles offrent l'avantage
d'un faible encombrement.
L'énergie disponible n'étant pas très importante,
elles sont utilisées dans des appareils à faible
consommation (montres, calculatrices...).
Ci-contre, schéma d'une pile bouton mettant en jeu
les couples Zn2+(aq)/Zn(s) et MnO2(s)/MnO(OH)(s).
VI) Les piles au lithium
Elles se présentent en général sous forme de piles bouton (attention, toutes les piles bouton ne sont pas
des piles au lithium). Le lithium étant un alcalin, il réagit très violemment avec l'eau (voir sodium).
L'électrolyte est donc un solvant organique. Ne jamais ouvrir une pile au lithium!
À l'anode, le lithium s'oxyde en ions lithium (Li+/Li):
Li = Li+ + eÀ la cathode, c'est une réduction faisant intervenir le chlorure de thionyle (SOCl2) qui se produit :
2 SOCl2 + 4 e- = 4 Cl- + SO2 + S
Les électrons libérés d'un côté et consommés de l'autre circulent pour donner un courant électrique.
Soit une équation globale :
2 SOCl2 + 4 Li = 4 Li+ + 4 Cl- + SO2 + S
Les piles au lithium ne sont pas rechargeables. En revanche il existe des batteries au lithium.
Fem: 3,5 V Energie volumique: 1,24 W.h.cm-3
VII) La pile à combustible
Les piles à combustible commencent tout juste à entrer dans le domaine grand public.
En effet, elles sont lourdes, de coût élevé et leur alimentation pose problème du fait du stockage de
l'hydrogène. Mais c'est une pile propre et de très bon rendement.
Une telle pile a été mise en place en octobre 2003 dans un bâtiment expérimental au centre de recherche
Gaz de France à La Plaine Saint Denis. Elle produit l’électricité utilisée pour les besoins du bâtiment, et
fournit du chauffage et de l'eau chaude accumulée dans des ballons pour 7 logements expérimentaux.
(voir le site http://www.vaillant.fr/site/page/part/01-gamme_prod/07-innovation.php ).
Les deux membranes permettent l'échange des
protons. Entre ces membranes, l'électrolyte est
une solution aqueuse de potasse.
Les réactifs sont H2 et O2.
Le produit de la réaction est donc l'eau.