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Les piles électriques Exposé de Marc Soyer et de Maxence Mohr
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Les piles électriques
Exposé de Marc Soyer et de Maxence Mohr
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Plan de l’exposéPartie traitée par Maxence Mohr
1) Qu’est ce qu’une pile électrique ?.……………………………………………………….Page 3
2) Principe de fonctionnement d’une pile………………………………………………..Page 4
3) Histoire de la pile électrique………………………………………………………………...Page 6
4) Classification des piles électriques………………………………………………………..Page 11
5) Utilisations des piles électriques………………………………………………………......Page 15
6) Recyclage des piles……………………………………………………………………………….Page 17
7) Conclusion et références…………………………………………………………....Pages 18 & 19
En 2004, près de 900 millions de piles ont été vendues en France dont 75% de piles alcalines, 22% de piles salines, 2% de piles rechargeables et 1% de piles boutons.
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Partie 1 : Qu’est ce qu’une pile électrique ?
En 2004, près de 900 millions de piles ont été vendues en France dont 75% de piles alcalines, 22% de piles salines, 2% d’accumulateurs et 1% de piles boutons.
Une pile électrique est un générateur de tension continue.
Son symbole électrique est :
Une pile électrique (ou simplement pile) est un dispositif électrochimique qui transforme de l’énergie produite par une réaction chimique en énergie électrique. Son rendement énergétique varie de 50 à 70%.
Les substances permettant ces réactions sont installées lors de la production et ne sont pas remplacés. Quand ceux-ci sont épuisés, la tension diminue fortement et la pile doit être changée.
Attention : Le terme « pile » désigne uniquement les batteries monobloc non rechargeables. En effet, la locution « pile rechargeable » est un abus de langage, elle n’a pas de sens, de même que « pile » est utilisé à tort au lieu de « pile à combustible » ou « accumulateurs ».
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Partie 2 : Fonctionnement d’une pile électrique ?
Une pile abrite une réaction chimique entre deux substances :
• l’une cède facilement des électrons (matériau réducteur), correspondant au pôle négatif de la pile
• L’autre les absorbe (matériau oxydant), correspondant au pôle positif de la pile
Ces substances sont conservées séparément, mais chimiquement interconnectées par un pont salin.
Chacune de ces réactions chimiques (libération d’électrons ou absorption d’électrons) sont des « demi-réactions ».
Ainsi, il faut que les deux demi-réactions aient lieu en symbiose afin d’avoir une réaction complète, dite « d’oxydoréduction ». Celle-ci est possible par échange d’électrons entre les deux substances, lorsque le circuit électrique est fermé : les électrons sont libérés du matériau réducteur (pôle -), traversent le circuit électrique et rejoignent le matériau oxydant (pôle +). Un déplacement d’électron est la définition même du courant.
Afin d’équilibrer les charges électriques, il faut relier les substances par un pont salin (permet un déplacement d’ions sans mélanger les substances), afin d’éviter la saturation du matériau oxydant.
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Partie 3 : Histoire de la pile électrique ?
IIIème siècle
Certains objets archéologiques sont étrangement similaires à des piles. Ainsi, la pile électrique de Bagdad datée du IIIème siècle est très controversée par les archéologues.
L’absence de fils de connexions, la fermeture non-hermétique du pot et surtout les connaissances de l’époque limitées sont des arguments défavorables sur l’utilisation de cet objet en tant que pile.
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XVIIIème siècle
En 1786, la célèbre expérience de Luigi Galvani consiste à faire contracter les cuisses d’une grenouille à l’aide de métaux et d’une machine électrostatique.
Travaillant en opposition avec Galvani qui pensait que l’électricité était d’origine animale, Alessandro Volta inventa la première pile à colonne le 17 mars 1800.
XIXème siècle
Le 2 mai 1800, Nicholson et Carlisle utilisent la pile de Volta pour faire la première électrolyse (Séparer 2H²0 en 2H² + O²), principal procédé de production de dihydrogène encore de nos jours.
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En 1802, William Cruikshank 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, ce qui engendre des procédés de production moins coûteux car plus facile à produire
Vers 1813, William Hyde Wollaston invente une nouvelle pile : la pile Wollaston. Cette pile n’a pas fonctionné correctement à cause d’un problème de polarisation : il était nécessaire de souvent nettoyer la pile car des dépôts d’hydrogènes se formaient sur le cuivre, empêchant la conduction.
En 1813, Napoléon a acheté pour l’école polytechnique une pile de 600 couples de cuivre/zinc. Cette pile occupait 54 mètres carrés. Elle pouvait fournir des intensités de 10 A et des puissances de plus de 20kW !
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Zinc Cuivre
Les piles vues précédemment étaient polarisables : les plaques de cuivre, de zinc et l’électrolyte étaient côte à côte.
Les piles impolarisables sont constituées de deux récipients différents.
La première pile à deux liquides séparés fût créée en 1829 par Antoine Becquerel.
Voici la pile Daniell tel que celui-ci l’a conçu sur le modèle de celle de Becquerel en 1836:
Plusieurs piles suivront suivant le même modèle, comme les piles Callaud, utilisées en téléphonie dans les années 1860.
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Cuivre
Pôle +
Pôle -
Zinc
Pot séparateur
Acide
S’en suivent encore d’autres modèles, comme la pile à bichromate, la pile Grenet en 1850 (à un seul liquide), la pile Trouvé, Chardin, Voisin, etc.…. Ces piles, dites bouteilles ont été utilisées jusqu’au XXème siècle : ces piles avait pour caractéristique fortes puissances et tension et étaient essentiellement utilisés en laboratoire, car un produit contenu dans ces piles, le bichromate, est toxique.
Malgré tout, l’ensemble de ces piles avaient un défaut non négligeable : une usure de la cathode, qui réduisait la durée de vie de la pile. Ainsi ont été inventées les piles à dépolarisation.
Les piles à dépolarisation utilisent un réducteur pour empêcher l’usure de la cathode.
Elle a été inventée en 1838 par William Robert Grove, et a été perfectionné par Robert Bunsen et Georges Leclanché. Celui-ci inventa la pile du même nom, moins puissante que les piles « bouteilles » mais ne nécessitent aucun entretien (une publicité en ventait les mérites : « elle ne s’use que si l’on s’en sert »).
En 1888, Carl Gassner invente la pile sèche. Cette pile, légèrement améliorée, est toujours utilisée de nos jours.
Pendent la Seconde Guerre Mondiale, Ruben et Mallory créèrent la pile au mercure.
La première pile alcaline a été créée par Lewis Urry en 1959 pour l’entreprise Union Carbide.
En 1970, les premières piles au lithium (qui remplacent le zinc par un métal plus réducteur) sont mises au point, et commercialisées en 1977.
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Partie 4 : Classification des piles électriques
La plupart des cellules voltaïques sont limitées à 1,5V à cause du faible potentiel généré par les composants électrochimiques. Les cellules au lithium peuvent fournir des tensions plus élevées, qui vont jusqu’à 4,5V.
Par capacité
Une capacité de pile est le plus souvant exprimée en Ampères-heures. (1Ah=3600 coulombs), uniquement pour comparer des piles à tension égales.
Si une pile peut fournir un ampère pendant une heure, elle a une capacité d’1Ah. Si une pile peut fournir 1A pendant 1000h ou 2A pendant 500h, sa capacité vaut 1000Ah.
Pour comparer des piles à voltages différents, on passe par l’énergie :
1 Wh = 1 Ah x 1 V = 1 A x 1 V x 1 h
Ainsi pour une même valeur de capacité, une pile 2V peut fournir 2 fois plus d’énergie qu’une pile 1V.
La capacité d’une pile dépendant aussi d’autres paramètres (durée d’utilisation, température, etc.), les fabricants de piles utilisent une technique de calcul appelée « loi de Peukert » : Cp = Ikt
Avec Cp la capacité en Ah
I le courant de décharge
K la constante de Peukert
T le temps de décharge en heure.
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Par format
LR6, LR3, C, D, AAA sont d’autant de noms de formats qui existent pour les piles. Il y a deux codes en vigueur : le code IEC et le code ANSI.
Avant de vous montrer le tableau, analysons la norme IEC, qui est de la forme (L(F)(R))(R)(RC)##.
R signifie piles zinc-carbone
LR signifie piles alcalines
RC les accumulateurs (rechargeables), non traités dans cette partie
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Par technologie
Note : depuis 1999, les piles au mercure sont interdites en Europe et aux USA car elles sont polluantes.
On distingue 4 grands types de piles
• Piles alcalines
• Piles Salines (carbone-zinc) pour des appareils à faibles besoins
• Piles Lithium (L91): elles sont capable de maintenir très longtemps la tension. Elles sont parfois utilisées dans des téléphones.
• Piles à l’Oxyde d’argent (certaines piles boutons) ou Zinc-air (piles boutons).
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Partie 5 : Utilisation des piles électriques
Quelques chiffres :
• Les piles électriques sont souvant jetées alors qu’elle contiennent encore 1/3 d’énergie.
• 1/10 des piles jetées sont neuves !
En effet, les appareils électroniques ont besoin d’une tension minimale pour fonctionner. Mais la tension d’une pile diminue au fur et à mesure de l’utilisation. Ces piles peuvent être mises de côté pour alimenter lampes, jouets, télécommandes, etc.
Le rendement d’une pile est très faible.
Lors d’une association de piles, il faut veiller à avoir le même type (marque) de piles, et chargés au même niveau, sinon un courant traverse la pile la moins chargée, ce qui est dangereux.
Une pile se décharge toute seule au cours du temps, même si elles ne sont pas utilisées (sauf certaines piles d’application militaire ou de sécurité (avions, bateaux ou encore certaines piles boutons) qui ont un dispositif de languette plastique qui les protègent lorsqu’elles sont neuves.
Les piles alcalines, estampillées non-rechargeables, peuvent être rechargées plusieurs dizaines de fois, sous certaines conditions :
• Ne pas laisser chuter la tension de la pile en dessous de 1,25V
• Ne pas la recharger au-delà de 1,70V
• Ne pas dépasser un courant de C/10
Les piles zinc peuvent l’être aussi, mais la recharge est plus aléatoire : le zinc ne se reconstitue pas.
Les fabricants déconseillent fortement ce genre de pratique, qui peut entrainer un échauffement des piles, une explosion ou une fuite d’acide.
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Chargeur simple, dit « sale »
Chargeur complet
Dernier point : faire chauffer une pile ne la recharge pas (ni une batterie). Mais la laisser au repos permet de libérer la cathode des produits qui empêche l’absorption des électrons.
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Partie 6 : Recyclage des piles électriques Au vu des métaux que contient une pile (nickel, cadmium, plomb, mercure, etc.) dont la plupart est nocif pour l’environnement, il convient de traiter les piles avec une attention particulière.
Depuis 2009, la législation française interdit l’utilisation de métaux lourds, qui peuvent tout de même être présents à l’état de traces. Mais certaines piles contiennent encore du mercure ou du nickel-cadmium, qui sont très toxiques.
En France, les vendeurs de piles et de batteries sont tenus de récupérer les éléments usagés gratuitement.
Certains métaux de piles sont réutilisables (fer, zinc, mercure, etc.)
~16% du poids des piles sont constitués d’eau.
Taux de recyclage en 1999 : 55% contre 35% en 1998 (évolution du traitement et nouvelle lois en vigueur)
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Conclusion
Dans beaucoup d’appareils domestiques et portables, nous retrouvons les piles. Elles sont devenues indispensable pour les appareils électriques et électroniques nomades (certains MP3, lampes torches, manettes, appareils photo, etc.)
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Références
Sites internet :
• http://www.saftbatteries.com/
• http://www.energizer.eu/fr/fr/
• http://www.duracell.com/landing.asp
• http://www.varta.com/eng/
• http://fr.wikipedia.org/
• http://www.ansi.org/
• http://www.iec.ch/index.html
Magazine
• Electronic world, Avril 1998
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