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Centre de documentation pour l’enseignement secondaire et supérieur www.cdess.org CDESS Centre de Documentation pour l’Enseignement Secondaire et Supérieur Bâtiment Marie-Curie - Local B – 106 Rue du Compas, 2 / 1348 - Louvain-la-Neuve www.cdess.org Les Piles Dossier réalisé par Pierre Hautier (hautier@afps.ucl.ac.be) Jacques Koplowicz (jacqueskoplowicz@be.tf) Centre de documentation pour l’enseignement secondaire et supérieur www.cdess.org Tables des matières Introduction ....................................................................................................................................................................3 1) Historique des piles............................................................................................................................................4 2) Constitution et fonctionnement d'une pile ...................................................................................................6 3) Classification et types de piles .......................................................................................................................7 4) Description de quelques piles...........................................................................................................................9 a) La Pile de Volta.............................................................................................................................................9 b) Chimie de la pile de Volta.........................................................................................................................10 a) Une pile "scolaire" .....................................................................................................................................13 b) Les agro-piles .............................................................................................................................................13 c) La pile au fromage .....................................................................................................................................14 d) La pile de Daniell........................................................................................................................................15 e) Chimie de la pile de Daniell................................................................................................................16 f) La pile Leclanché........................................................................................................................................18 g) La pile alcaline ........................................................................................................................................... 23 h) La pile bouton ............................................................................................................................................ 26 i) La pile air / zinc ............................................................................................................................................... 27 j) La pile au lithium .............................................................................................................................................. 28 5) Comparaison entre les différentes piles.....................................................................................................31 6) Les piles à combustion.................................................................................................................................... 34 a) Historique................................................................................................................................................... 34 b) Rendement théorique............................................................................................................................... 35 c) Polarisation................................................................................................................................................. 35 d) Classification de ces piles ...................................................................................................................... 35 e) Fonctionnement d'une pile à combustion (H2 / O2) .......................................................................... 37 f) Utilisation des piles à combustion ........................................................................................................ 37 7) Références........................................................................................................................................................ 38 a) Ecrits........................................................................................................................................................... 38 b) Vidéogrammes ........................................................................................................................................... 38 Centre de documentation pour l’enseignement secondaire et supérieur www.cdess.org Introduction Le développement de l'électrotechnique commence avec la pile de Volta qui produisait un courant électrique d'une constance remarquable. Cette source d'électricité fit naître et grandir l'électrochimie, et apporta des éléments importants pour l'établissement des lois de l'électricité et de la chimie. Une longue succession de variantes de la pile de Volta aboutit à l'invention par Leclanché, de la pile saline au Zinc et au dioxyde de Manganèse. Dans sa forme moderne, à l'électrolyte immobilisé, qui lui a valu le nom de "pile sèche", c'est encore actuellement la pile la plus utilisée. Une autre invention marquante date de la même époque : c'est celle de l'accumulateur au Plomb par Plante. Cet accumulateur, lui aussi, est encore le plus employé aujourd'hui. Actuellement, par comparaison avec la mode principal de production d'énergie électrique (centrales), ce qui caractérise essentiellement les piles et accumulateurs, c'est l'autonomie des machines, appareils et instruments électriques qu'ils alimentent. A l'heure actuelle, on trouve trois types de générateurs électrochimiques d'énergie électrique : les piles classiques, les piles à combustion et les accumulateurs. Dans les trois systèmes, on produit l'énergie électrique à partir de l'énergie chimique contenue dans des matières premières (réactifs). Dans la pile classique, les réactifs sont introduits en une fois, en quantité finie, lors de la fabrication. Lorsque ces réactifs sont épuisés, on jette la pile et on la remplace par une nouvelle. Dans la pile à combustion, au contraire, les matières premières sont introduites au fur et à mesure du fonctionnement. En principe, une telle pile peut donc fournir de l'énergie électrique aussi longtemps qu'on l'alimente en réactifs. Un accumulateur fonctionne comme une pile classique lorsqu'on le décharge pour produire de l'énergie électrique. Celle-ci provient de l'énergie chimique des réactifs. Mais, quand ces réactifs sont épuisés, on peut faire passer le courant en sens inverse à partir d'une source extérieure d'électricité. C'est alors la recharge de l'accumulateur au cours de laquelle l'énergie électrique régénère les réactifs à partir des produits pauvres en énergie. Contrairement à la pile, l'accumulateur peut donc effectuer la conversion électrochimique d'énergie dans les deux sens. En résumé : les piles classiques et à combustion produisent de l'énergie électrique; les accumulateurs stockent l'énergie électrique produite par d'autres sources. Dans ce fascicule, nous nous contenterons d'étudier les piles classiques et à combustible, laissant de côté les accumulateurs. Les piles Introduction page 3 Centre de documentation pour l’enseignement secondaire et supérieur www.cdess.org 1) Historique des piles Année Evénement 1785 Luigi Galvani, médecin à Bologne observe le phénomène suivant : des cuisses de grenouille fixées à des fils de cuivre sont agitées de soubresauts dès que le cuivre se trouve en contact avec le fer d'une grille de balcon. 1796 Volta interprète le phénomène précèdent et réalise la première pile. Elle est constituée par un empilement (d'où le nom de pile) alterné de plaquettes de deux métaux différents entre lesquelles est intercalé un papier imprégné d'eau salée. Les deux extrémités de cette colonne sont connectées à l'aide d'un fil métallique afin que le "fluide électrique circule sans interruption" de pôle à pôle. 1800 Volta présente sa pile à Napoléon Bonaparte. 1805 Wilhem Ritter améliore la pile en permettant sa recharge. 1812 Zamboni construit une pile sèche constituée d'un disque de papier recouvert d'un côté d'étain, de l'autre de dioxyde de Manganèse. 1836 Daniell réalise un générateur chimique d'électricité connu sous le nom de pile Daniell, à partir de zinc et de cuivre plongés respectivement dans une solution de sulfate de zinc et une solution de sulfate de cuivre. 1839 L'anglais William Robert Grove construit la première pile à combustible. Elle restera dans l'oubli pendant une centaine d'années. 1842 Poggendorf utilise le dichromate de potassium comme dépolarisant. 1854 Josef Sinsteden met au point l'accumulateur au plomb en plongeant deux plaques de plomb dans une solution sulfurique. 1859 Gaston Planté construit la première batterie rechargeable au plomb. 1866 Werner von Siemens donne le principe de la dynamo. 1871 Zenobe Gramme présente à l'académie des Sciences la première dynamo. 1873 Gaston Planté utilise une machine Gramme pour la recharge des batteries. 1877 Leclanché invente la pile qui porte son nom, avec comme électrolyte le chlorure d'ammonium et comme dépolarisant le dioxyde de manganèse. Les piles Historique des Piles page 4 Centre de documentation pour l’enseignement secondaire et supérieur www.cdess.org Année Evénement 1878 Maiche utilise le gaz comme dépolarisant : l'oxygène de l'air en contact avec l'électrode charbon de sa pile. 1881 Lalande et Chaperon brevettent une autre pile à dépolarisant solide. 1884 Mise au point de l'accumulateur argent-zinc. 1885 Au Luxembourg les frères Tudor couplent un accumulateur et une dynamo en vue de produire un courant stable. 1887 Adolphe Müller fonde la société AFA qui sera l'origine de la firme VARTA. 1893 Gabriel Darrieus publie des travaux essentiels sur les accumulateurs alcalins. 1901 Edison dépose le brevet de l'accumulateur nickel-fer. Jungner celui de l'accumulateur nickel-cadmium. 1916 Fery démontre que l'oxygène de l'air peut dépolariser une pile. 1935 F.T. Bacon reprend l'étude des piles à combustible. 1940 - 1945 Lors de la deuxième guerre mondiale, les américains introduisent la première pile alcaline avec un oxydant à la cathode, l'oxyde Mercurique : le nouvel oxydant utilisé, très cher amène Rubben et Mallory à translater pour le commerce civil leur trouvaille alcaline à la pile Leclanché, et c'est le règne de la pile alcaline dite "du manganèse". 1953 Création de la pile hydrogène-oxygène des missions Appolo. 1960 Vers 1960, le Magnésium est introduit en anode à la place du zinc mais les piles fabriquées restent du domaine militaire. 1970 Vers 1970 le lithium est utilisé comme anode, à la place du zinc, avec un électrolyte non aqueux, pour les besoins de télécommunications militaires. 1977 Les premières piles au "lithium" apparaissent dans le commerce. Les piles Historique des Piles page 5 Centre de documentation pour l’enseignement secondaire et supérieur www.cdess.org 2) Constitution et fonctionnement d'une pile Une pile est formée de deux électrodes, le terme électrode signifie ici l'ensemble formé par le conducteur métallique qui conduit les électrons et la solution électrolytique dans laquelle il plonge. A l'une des électrodes, il se produit une oxydation. Dans le cas d'une électrode métallique nous pouvons écrire ainsi la réaction d'oxydation. M(s) → Mz+ + z e- Cette électrode est appelée anode par analogie avec le phénomène d'électrolyse où nous avons vu que l'oxydation se produit à l'anode. Cette électrode constitue la borne négative de la pile puisqu'elle fournit les électrons. A l'autre électrode, il se produit une réaction de réduction. Dans le cas d'une électrode métallique, cette réaction peut s'écrire : My+ + y e- → M(s) Cette électrode est appelée cathode par analogie avec le phénomène d'électrolyse où la réduction se produit à la cathode. Cette électrode constitue la borne positive de la pile. La réaction globale qui se produit dans la pile est une réaction d'oxydo-réduction, somme de la réaction d'oxydation à l'anode et de la réaction de réduction à la cathode; C'est cette réaction d'oxydo-réduction qui fournit l'énergie électrique en provoquant une différence de potentiel entre les électrodes, laquelle oblige les électrons à circuler lorsqu'on réunit les deux électrodes par un circuit électrique extérieur. Lorsqu'on réunit les deux électrodes d'une pile par un circuit fermé, les électrons circulent spontanément depuis l'électrode qui a le plus tendance à libérer des électrons jusqu'à celle qui a le moins tendance à libérer les électrons. On peut cependant obliger les électrons à circuler dans le sens contraire en imposant entre les électrodes une différence de potentiel plus grande que celle de la pile et opposée. Il suffit pour cela de la monter en opposition avec une autre pile plus puissante. On change alors le sens des réactions d'électrode et l'on effectue une électrolyse. (*) Remarque : il uploads/Finance/ les-piles-pdf 1 .pdf