Par analogie, le terme « pile » désigne tout empilement d’éléments produisant de l'électricité, de même que « batterie » désigne toute mise en série de piles ou d'accumulateurs électriques.
À l'origine, le terme « pile » désignait le dispositif décrit en introduction, inventé par le physicienAlessandro Volta.
Le mot « pile » désigne aujourd'hui tout élément monobloc, dont la décharge est irréversible[2]. En effet, une fois que lepotentiel desélectrodes a été égalisé, il n'est plus possible de restaurer le potentiel électrique initial.
Par extension, certains auteurs utilisent l'appellation « pile rechargeable » pour un petitaccumulateur électrique rechargeable de dimensions identiques à une pile, dont la tension est généralement inférieure à celle d'unepile alcaline de même taille. Ceci s'explique par la traduction du terme anglaisbattery, qui englobe les piles (primary battery) et les accumulateurs (secondary battery). En français, le motbatterie est utilisé pour les éléments rechargeables et non pas pour les éléments non rechargeables.
Si les éléments montés les uns avec les autres sont des accumulateurs, ils forment unebatterie d'accumulateurs[2],[4]. Dans le cas d'une association de piles, l'assemblage, non rechargeable, est nommébatterie primaire.
Le terme de « batterie » utilisé dans l'industrie automobile désigne donc plus exactement une batterie d'accumulateurs, celle-ci étant rechargeable.
Le terme « pile » apparaît dans d'autres dénominations qui ne partagent pas le même principe de fonctionnement. Ainsi, lapile à combustible, bien que fonctionnant également par réaction d'oxydoréduction, n'est pas constituée d'empilement de métaux.
Schéma d'une pile. Chaque récipient constitue une demi-cellule. Une électrode (symbolisée par une brique) est plongée dans chaque demi-cellule. Les deux demi-cellules sont reliées par unpont salin.
Le boîtier d'une pile est le siège d'uneréaction chimique entre deux substances dont l’une peut facilement céder desélectrons (matériau réducteur), et l’autre qui les absorbe (matériau oxydant). Chacune de ces réactions chimiques est dite « demi-réaction ». Lorsqu'elles sont proprement combinées, elles forment uneréaction d'oxydoréduction. Chaque demi-réaction survient dans unesolution où se produit un échange d'électrons. Ce sont ces électrons qui sont échangés entre les deux substances. Pour assurer l'équilibre descharges électriques, il faut relier les deux solutions à l'aide d'unpont salin, un système permettant le transport de certainsions tout en interdisant la circulation dusolvant.
Chaque élément du couple oxydant/réducteur est relié à uneélectrode. Ces électrodes, lorsqu'elles sont reliées à un circuit consommateur d'électricité, provoquent la circulation d'uncourant électrique ; la réaction chimique provoque une circulation de charges (électrons,ions). Une pile fournit ducourant continu. La borne (-) d'une pile correspond à l'anode où se produit la réaction d'oxydation qui va fournir les électrons. La borne (+) d'une pile correspond à lacathode où se produit laréduction qui va consommer les électrons.
Ce système est utilisé pour les piles électriques et lesbatteries d'accumulateurs, avec diverscouples électrochimiques. Une pile électrique peut contenir plusieurs de ces couples montés en série, ce qui permet d'ajuster la tension disponible, aux bornes de la pile, à la valeur désirée.
Il est possible de réaliser une pile artisanale, par exemple en insérant dans uncitron untrombone déplié ou unclou (enaciergalvanisé, recouvert donc dezinc) et un fil électrique dénudé (encuivre) reliés à unediode électroluminescente bien choisie[5]. À l'anode, le zinc cède ses électrons, et à la cathode, l'ion H+ du jusacide capte les électrons et se dégage sous forme dedihydrogène H2[6]. On trouve dans le commerce des gadgets qui utilisent ce même principe : par exemple de petiteshorloges à quartz qui sont alimentées par unepomme de terre (même principe à l'anode, alors qu'à la cathode l'eau se réduit enionsHO− et en hydrogène)[7].
En 1786,Luigi Galvani observe que les muscles d'une cuisse de grenouille se contractent lorsqu'elle est mise en contact avec des métaux, de la même manière que lorsqu'on la branche sur unemachine électrostatique. Il découvre que la réaction est plus forte quand il utilise un instrument composé de deux métaux différents[10].
En opposition avec les travaux de Galvani (électricité d'origine animale),Alessandro Volta invente la premièrepile à colonne le[11] ; ces premiers systèmes étaient constitués d'un « empilement » (d'où le nom de l'invention) de disques de deux métaux différents séparés par des disques defeutre, imbibés d'acide. La pression de la colonne sur les disques du bas provoque un assèchement des cylindres de feutre qui finissent par ne plus remplir leur office. Volta invente donc rapidement la pile à couronne, constituée d'empilements plus petits montés en série[12].
Quelques mois après l'invention de Volta, deux chimistes britanniques,William Nicholson (1753-1815) etAnthony Carlisle (1768-1840), utilisent la pile de Volta pour réaliser la première électrolyse artificielle (électrolyse de l'eau) le[13].
Dès 1802,William Cruikshank crée lapile à auge en disposant verticalement les lames de zinc et de cuivre dans un bac à parois isolantes rempli d'eau acidulée. Elle est beaucoup plus simple à produire que la pile de Volta[12].
Entre 1813 et 1815,William Hyde Wollaston développe lapile Wollaston dans laquelle l'électrode decuivre entoure l'électrode dezinc. Cela permet de doubler la surface de l'électrode et de prolonger le fonctionnement de la pile. Ces premières piles souffrent, en effet, d'un défaut de fonctionnement : lapolarisation(en).
Laréaction d'oxydoréduction provoque une accumulation desous-produits qui perturbe le fonctionnement de la pile. Dans ces piles zinc cuivre, c'est la réduction de l'acide de l'électrolyte qui produit un dégagement de bulles dedihydrogène sur le cuivre qui empêche le passage du courant. Au bout d'un certain temps, il est nécessaire de nettoyer la pile de ces dépôts pour qu'elle continue de fonctionner.
Dans lespiles impolarisables, les produits de la réaction d'oxydoréduction utilisée n'altèrent pas les propriétésélectrochimiques de l'ensemble.
En 1829,Antoine Becquerel crée la première pile à deux liquides séparés en enfermant la plaque de zinc en solution acide dans un gros intestin de bœuf, qui la sépare de l'électrode de cuivre placée dans un bain de sulfate de cuivre. La génération d'hydrogène est remplacée par une accumulation de cuivre sur les parois de la cathode.
Le principe est amélioré en 1836 parJohn Frederic Daniell qui remplace l'intestin de bœuf par un vase en terre poreuse. Lapile Daniell est la première à offrir une source durable d'énergie. Le principe de la pile Daniell aura plusieurs améliorations technologiques avec notamment lapile Callaud.
Johann Christian Poggendorff invente, en 1842, lapile à bichromate : elle libère de l'oxygène, qui se recombine avec l’hydrogène responsable de la polarisation. Créée en 1850, lapile Grenet est une pile à un seul liquide, avec des électrodes en charbon et en zinc amalgamé (plongé dans le mercure) dans un électrolyte d'acide sulfurique et debichromate de potassium. Quand la pile n'était pas utilisée, il était nécessaire de retirer l'électrode en zinc de la solution pour la préserver. Diverses améliorations (pile Trouvé,pile Chardin,pile Voisin et Dronier…) vont suivre pour isoler cette électrode.
La première pile à dépolarisation est inventée en 1838 parWilliam Robert Grove. Il remplace le cuivre par du platine et utilise de l'acide nitrique (nommé acide azotique à cette époque). Il obtient une pile puissante, mais chère, car le platine est un métal rare. En 1843,Robert Wilhelm Bunsen remplace le platine par du charbon, ce qui réduit notablement les coûts (voirPile Bunsen) mais la dépolarisation nitrique entraîne un dégagement de vapeurs toxiques qui rend l'emploi de ces piles malcommode.
En 1867,Georges Leclanché crée la première pile à dépolarisant solide : elle contient dudioxyde de manganèse. Lapile Leclanché est moins puissante que la pile bouteille, mais ne nécessite aucun entretien (elle« ne s'use que si l'on s'en sert » comme dira la publicité de la pileWonder). En 1888,Carl Gassner(en) invente la pile sèche en gélifiant la solution de chlorure d'ammonium avec de l'agar-agar. Avec quelques améliorations, cette pile sèche est toujours utilisée auXXIe siècle.
En 1970, les premièrespiles au lithium, permettant de remplacer le zinc par un métal plus réducteur, sont mises au point. Elles sont commercialisées en 1977.
Des piles ont été utilisées comme références pour définir une norme de tension avant d'être détrônées par une mesure basée sur l'effet Josephson : lapile Daniell (1836), puis lapile Clark inventée en 1872 parJosiah Latimer Clark a été employée jusqu'en 1905, puis elle a été remplacée par lacellule de Weston jusqu'en 1972.
Il existe aussi des « piles de concentration » qui sont des dispositifs électrochimiques comme les piles (deux solutions et un pont salin) qui tirent leur énergie de la différence de concentration d'unsoluté d'une solution à l'autre. Les solutions et lesanodes sont toutes de même type. C'est une méthode simple pourproduire de l'électricité. Ce modèle de pile intervient surtout dans l'industriemétallurgique au niveau de lagalvanisation et de l'étude de lacorrosion.
Depuis décembre 1998, lespiles au mercure sont interdites enEurope (Directive 98/101/CE[14]) et auxÉtats-Unis en raison de la toxicité et de l'impact environnemental dumercure.
De nouvelles biopiles, fonctionnant aux sucres, sont désormais brevetées et leur développement industriel grandit[15],[16].
Les formats de piles sont couramment désignés par un code (AA, LR12, CR2032…) normalisé par laCommission électrotechnique internationale (CEI) et par l'American National Standards Institute (ANSI). Bien que la norme CEI soit devenue un standard, un certain nombre d'appellations propres aux fabricants de piles subsiste.
Testeur de tension (f.e.m.) pour différents types de piles.
Laforce électromotrice (f.e.m.) est latension qui existe aux bornes de la pile encircuit ouvert. Pour la mesurer, on peut utiliser unmultimètre à forte résistance interne, tel qu’un multimètre numérique ou un « testeur de pile ».
Lorsque la pile se décharge (que ce soit du fait de son utilisation ouà cause du temps), la f.e.m. ne diminue que légèrement[c], ce qui peut laisser croire que la pile est toujours utilisable. Toutefois, la résistance interne de la pile augmente, donc l'énergie qu'elle peut délivrer diminue, ainsi que la tension à ses bornes, au fur et à mesure de la décharge de la pile. Il est donc préférable pour tester une pile de mesurer sa tension en utilisation normale (ou avec un testeur consommant du courant pour simuler cette utilisation).
La tension nominale (ou f.e.m. nominale), c'est-à-dire celle qui est inscrite sur la pile elle-même ou son emballage, correspond en fait à la f.e.m. de la pile à l'état neuf.
Suivant le mode de fabrication d'une pile, sa capacité (voirsection ci-dessous) peut être très variable. La mention de la capacité d'une pile est obligatoire sur le marché européen et français depuis 2009[17].
Étiquette d'unchargeur solaire sur laquelle sont indiquées les deux types de capacités : - capacité électriqueQ = 24 000 mAh ; - capacité énergétiqueE = 88,8 Wh.
On utilise usuellement deux sortes de « capacité » pour une pile (ou pour une batterie), sans toujours s'apercevoir de la différence entre les deux, ni préciser de laquelle on parle[d] :
lacapacité énergétique de symboleE est la quantité d'énergie qu'elle peut fournir lorsqu'elle se décharge. Elle correspond au produit de la puissance fournie par le nombre d'heures d'utilisation. Elle s'exprime couramment enwatts-heures (Wh), ou en milliwatts-heures (mWh).
Il existe une relation simple entre ces deux capacités : la capacité énergétique est le produit de la capacité électrique par la tension nominaleU de la pile :
Il est important de ne pas confondre ces deux types de capacités. Connecter deux piles en série n'augmente pas lacapacité électrique, alors que lacapacité énergétique est multipliée par deux.
Sur l'image ci-contre, on peut voir indiqués, sur un appareil de typepower bank courant, les deux types de capacités[e].
Barrage de Glen Canyon en 2013.
Une analogie hydraulique :la capacité du réservoir d'un barrage hydroélectrique est la quantité d'eau qu'il contient. Elle ne doit pas être confondue avec la capacité énergétique de ce réservoir qui est la quantité d'énergie qu'il est capable de fournir au réseau électrique. Cette capacité énergétique dépend de la hauteur moyenne du niveau de l'eau du réservoir par rapport aux turbines de l'usine hydroélectrique. Cette hauteur est l'équivalent de la tension dans le cas d'une batterie (ou d'une pile). La tension représente l'énergie potentielle.
La capacité électriqueQ dépend de la quantité d'électrolyte et d'électrode, mais aussi des conditions de décharge (intensité du courant de décharge, tension de coupure de l'appareil, température d'utilisation)[18].
Si l'intensité de déchargeI est constante, la capacitéQ est proportionnelle à la durée de décharge Δt :
Il est difficile d'apprécier la fin de la décharge (la tension mesurée devra être un certain pourcentage de la tension nominale - quel pourcentage choisir ? 80 % ? 90 % ?…) ;
La capacité ainsi mesurée dépend du courant de décharge (voir loi de Peukert ci-dessous) ;
On constateque des mesures répétées sur un même modèle dans les mêmes conditions donnent des résultats qui peuvent être très différents.[réf. nécessaire]
Laloi de Peukert est une relation donnant le temps de décharge en fonction de la capacité électrique théorique d'une pile (ou d'une batterie) et du courant de décharge :
où :
est la capacité électrique théorique (en fait celle mesurée à 1ampère (A)) ;
est le courant effectivement débité par la pile en ampères ;
est le temps de décharge ;
est une constante empirique de l'ordre de 1,3 pour les batteries au plomb, mais très voisine de 1 pour les batteries au lithium.
En pratique, une pile (ou une batterie) est plus efficace (tiendra plus longtemps) si elle est déchargée avec une basse intensité.
En moyenne, les piles électriques sont jetées alors qu'elles possèdent encore un tiers d'énergie utilisable[21], et 1/10 seraient encore presque neuves. En effet, les appareils électroniques (appareil photo numérique, lecteur MP3, etc.) ont besoin d'unetension minimale pour fonctionner. Or, la tension de l'ensemble baisse au cours de la décharge, mais à une vitesse différente selon l'élément. Les piles possédant encore une certaine capacité peuvent alors être utilisées pour alimenter des appareils moins exigeants (réveil, pendule, jouet, lampe de poche, télécommande, etc.).
Le principal danger direct pour l'humain est, de loin, l'ingestion par les jeunes enfants de piles bouton de taille moyenne (supérieure à 16 mm). Le risque majeur est celui d'unenclavement de la pile dans l’œsophage, l'électrolyse de l'eau entraînant la formation d'ionsOH− à l'anode constitue le mécanisme lésionnel essentiel, d'autant plus important quand la pile est neuve et de tension élevée (3,6 V pour les piles aulithium). Le risque lié à l'éventuelle libération des constituants d'une pile bouton est minime du fait de leur faible quantité dans ces petites piles[réf. souhaitée].,
D'un point de vue électro-chimique, les couplesredox des piles alcalines zinc-manganèse (à l'anode et à la cathode) sont partiellement réversibles[22]. Les réactions chimiques inverses sont donc possibles. La chute de tension de la pile, qui se produit naturellement lors de sa décharge, peut être inversée par l'injection d'un courant, qui va favoriser la réaction inverse. Ce qui explique que les piles alcalines peuvent être réutilisées jusqu'à plusieurs dizaines de fois avec des circuits électroniques adaptés[23],[24].
Les fabricants de piles, qui n'ont pas conçu les piles alcalines pour qu'elles soient réutilisables, recommandent de les recycler après un seul cycle de décharge. Ils mettent en avant des risques potentiels d'échauffement des piles, de fuite et d'explosion (due à la pression de dihydrogène gazeux libéré et à la mauvaise reconstitution de l'amalgame de zinc métallique)[25]. Néanmoins, des régénérateurs de piles alcalines existent et sont commercialisés.
Les piles contiennent desmétaux (nickel,cadmium,mercure,plomb,fer,zinc oulithium) dont certains sontprécieux, et souvent toxiques etécotoxiques (nocifs pour l'environnement). L'enveloppe de la pile se décompose tôt ou tard, et libère les produits chimiques qu'elle contient.
LaDirective 2006/66/CE vise à réduire l’impact des piles et accumulateurs électriques sur l’environnement en favorisant leur recyclage et en limitant leur teneur en métaux écotoxiques.
En 2018, 48 % des piles commercialisées sont recyclées dans l'UE à 27 pays (post-Brexit), et 52 % ne le sont pas[26].
Ce chiffre varie de 96 % en Croatie à 30 % en Estonie[26].
LaSuisse est la première du monde avec 70 % de piles collectées ; uneécotaxe (comprise dans le prix de vente) en finance le recyclage[27].
L'objectif européen, fixé par laDirective 2006/66/CE, est de 25 % en 2012 et 45 % en 2016[28].
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En France, les piles ne doivent pas être jetées dans une poubelle ordinaire, mais déposées à un point de collecte (supermarchés, déchetteries, points de vente…) pour être recyclées. La législation française a transposé la directive européenne dans un décret en 2009[29]. Afin de réduire la teneur des piles en certains métaux toxiques (mercure notamment), le décret précise :
« Les piles et les accumulateurs mis en marché, y compris ceux qui sont intégrés dans des équipements électriques et électroniques […], ne contiennent pas plus de 0,0005 % de mercure en poids, à l'exception des piles bouton dont la teneur en mercure est inférieure à 2 % en poids, et pour les piles et accumulateurs portables pas plus de 0,002 % de cadmium en poids. »[30]
Afin de favoriser leur collecte et leur recyclage, il est indiqué :
« Les distributeurs de piles et accumulateurs portables reprennent gratuitement, et sans obligation d'achat de piles ou d'accumulateurs neufs, les piles et accumulateurs portables usagés du même type que ceux qu'ils commercialisent et qui leur sont apportés par les utilisateurs. Ils informent les utilisateurs de la possibilité de déposer les piles et accumulateurs portables usagés dans leurs points de vente. Les conteneurs mis à la disposition des utilisateurs à cet effet sont mis en évidence et facilement accessibles. »[30]
Lerecyclage permet de récupérer des métaux réutilisables (fer, manganèse, zinc et mercure principalement) ; lavalorisation matière représente 87,3 %, en masse, des piles traitées en 2011, lavalorisation énergétique (incinération des plastiques et de certains résidus de broyage) 9,2 %, les 3,5 % restant étant éliminés sans valorisation[31].
Le taux de collecte est le rapport (en masse) entre la quantité de piles collectée et celle vendue. Depuis le début du recyclage, il est faible, et n'atteint jamais ses objectifs.
En 2018, selon Eurostat, la France a recyclé 46 % de ses piles[33].
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↑Et sans se rendre compte non plus du risque de confusion avec lacapacité d'uncondensateur. La capacité d'un condensateur est en fait le quotient deQ par la tensionU aux bornes de celui-ci. Son unité est lefarad.
↑Serge Pélissier, Ali Sari et Pascal Venet, « Batteries électriques pour applications portables et embarquées - Fondamentaux »,Techniques de l'Ingénieur,(lire en ligne)
↑a etbPaulBarbier, « Bonaparte et les savants, De la pile de Volta à la grande pile de l’École Polytechnique (1800-1812) »,Bulletin d'histoire de l'électricité,vol. 34,no 1,,p. 5–28(DOI10.3406/helec.1999.1455)
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![La pile voltaïque[b].](/mt/?noimg=&dark=on&url=https%3a%2f%2ffr.wikipedia.org%2fwiki%2fFichier%3aPila_di_Volta_01.jpg)
