Pile électrique

Pile de Volta, début du XIX^e siècle

Symbole électronique d'une pile qui se réfère à la structure de la pile voltaïque.

À l'origine, le terme « pile » désignait un dispositif inventé par le savant italien Alessandro Volta, composé d'un empilement de rondelles de deux métaux différents, séparés par des feutres imprégnés d'un électrolyte[1].

Le mot « pile » désigne aujourd'hui tout élément monobloc, dont la décharge est irréversible[2]. En effet, une fois que le potentiel des électrodes a été égalisé, il n'est plus possible de restaurer le potentiel initial.

Par extension, on appelle « pile rechargeable » un petit accumulateur électrique rechargeable de dimensions identiques à une pile, dont la tension est généralement inférieure à celle d'une pile alcaline de même taille.

Le terme « batterie » désigne une association en série ou en parallèle de piles ou accumulateurs[3] afin que l'ensemble atteigne certaines caractéristiques nominales, telles que la tension, le courant maximum admissible ou la capacité.

Si les éléments montés les uns avec les autres sont des accumulateurs, ils forment une batterie d'accumulateurs[2]^,[4]. Dans le cas d'une association de piles, l'assemblage, non rechargeable, est nommé batterie primaire.

Le terme de « batterie » utilisé dans l'industrie automobile désigne donc plus exactement une batterie d'accumulateurs, celle-ci étant rechargeable.

Piles salines et alcalines, les plus courantes.

Le terme « pile » apparaît dans d'autres dénominations qui ne partagent pas le même principe de fonctionnement. Ainsi, la pile à combustible, bien que fonctionnant également par réaction d'oxydoréduction, n'est pas constituée d'empilement de métaux.

Entre 1813 et 1815, William Hyde Wollaston développe la pile Wollaston dans laquelle l'électrode de cuivre entoure l'électrode de zinc. 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 : la polarisation.

La réaction d'oxydo-réduction provoque une accumulation de sous-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 de dihydrogène sur le cuivre qui empêche le passage du courant. Au bout d'un certain temps, il est donc nécessaire de nettoyer la pile de ces dépôts pour qu'elle continue de fonctionner.

En 1813, Napoléon fournit à l'École polytechnique une pile voltaïque de 600 couples cuivre/zinc, occupant 54 m² de surface. Humphry Davy fait construire une pile Cruickshank constituée de 200 auges et de 2 000 couples^[Quoi ?] à l'institut Royal de Londres. Avec ces piles monumentales il était possible d'obtenir des intensités de 10 ampères, soit des puissances de l'ordre de la dizaine de kW.

Schéma de principe de la pile Daniell.

Dans les piles impolarisables, les produits de la réaction d'oxydo-réduction utilisée n'altèrent pas les propriétés électrochimiques 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 par John Frederic Daniell qui remplace l'intestin de bœuf par un vase en terre poreuse. La pile Daniell est la première à offrir une source durable d'énergie. Le principe de la pile Daniell sera amélioré : plusieurs améliorations technologiques suivront, comme les piles Callaud.

Johann Christian Poggendorff invente en 1842 la pile à bichromate : elle dégage de l'oxygène qui se recombine avec l’hydrogène responsable de la polarisation. Créée en 1850, la pile 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 de bichromate 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.

Ces piles bouteilles seront utilisées jusqu'au début du XX^e siècle : la puissance et la tension élevée des piles au bichromate ont été longtemps appréciées au laboratoire. Elles ont été peu utilisées comme pile domestique à cause de la toxicité des bichromates et des problèmes d'entretien de l'électrode.

Cette section ne cite pas suffisamment ses sources (février 2019). 

Pour l'améliorer, ajoutez des références vérifiables [comment faire ?] ou le modèle {{Référence nécessaire}} sur les passages nécessitant une source.

Piles boutons.

Pile Bunsen.

Les piles à dépolarisation utilisent un réducteur pour éliminer les produits de réaction qui se forment à la cathode.

La première pile à dépolarisation est inventée en 1838 par William 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 (voir Pile 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 du dioxyde de manganèse. La pile 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 pile Wonder). En 1888, Carl Gassner 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 au XXI^e siècle.

Pendant la Seconde Guerre mondiale, Samuel Ruben et Philip Mallory créent la pile au mercure.

En 1959, la première pile alcaline grand public est conçue par Lewis Urry, Karl Kordesch et Paul A. Marsal pour Union Carbide.

En 1970, les premières piles 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 : la pile Daniell, puis la pile Clark inventée en 1872 par Josiah Latimer Clark a été employée jusqu'en 1905, puis elle a été remplacée par la cellule de Weston jusqu'en 1972.

Il existe aussi ce qu'on appelle 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'un soluté d'une solution à l'autre. Les solutions et les anodes sont toutes de même type. C'est une méthode simple pour fabriquer de l'électricité. Ce modèle de pile intervient surtout dans l'industrie métallurgique au niveau de la galvanisation et de l'étude de la corrosion.

Il existe cinq technologies de piles grand public :

• pile alcaline : ( ⊝ Zn | Zn(OH)₄²⁻ | K⁺ + OH⁻ | MnO(OH) | MnO₂ | C ⊕ ) ;
• pile saline : ( ⊝ Zn | Zn²⁺ | NH₄⁺ + Cl⁻ | MnO(OH) | MnO₂ | C ⊕ ) ;
• pile au lithium ( ⊝ Li_(s) | LiCl_(SOCl2) | MnO_{2 (s)}, Mn₂O_{3 (s)} | Fe_(s) ⊕ ) ;
• pile à l'oxyde d'argent (certaines piles boutons pour montres)
• pile zinc-air (utilisée notamment dans les prothèses auditives) (⊝ Zn | ZnO || Ag₂O | Ag | C ⊕).

Depuis décembre 1998, les piles au mercure sont interdites en Europe (directive 98/101/CE[14]) et aux États-Unis en raison de la toxicité et de l'impact environnemental du mercure.

Les formats de piles sont couramment désignés par un code (AA, LR12, CR2032…) normalisé par la Commission 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.

La force électromotrice (f.e.m.) est la tension qui existe aux bornes de la pile en circuit ouvert. Pour la mesurer on peut utiliser un multimètre à forte résistance interne, tel que par exemple un multimètre numérique ou un « testeur de pile ».

Lorsque la pile se décharge (que ce soit du fait de son utilisation ou à cause du temps) la f.e.m ne diminue que légèrement[alpha 3], ce qui peut laisser croire que la pile est toujours utilisable. Par contre, 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.

Les piles salines et alcalines ont une tension nominale de 1,5 V environ, tandis que celle des piles au lithium est de 3,6 V environ.

Les piles de tensions nominales plus élevées sont constituées d'une association en série de cellules de 1,5 V (3 éléments en série, dans une pile 3LR12 de 4,5 V ; 6 dans une pile 6LF22 de 9 V).

Suivant le mode de fabrication d'une pile, sa capacité (voir section ci-dessous) peut-être très variable.
La mention de la capacité d'une pile n'est pas obligatoire sur les emballages et est très rarement mentionnée.

Étiquette d'un chargeur solaire sur laquelle sont indiquées les deux types de capacités :
- capacité électrique Q = 24 000 mAh ;
- capacité énergétique E = 88,8 Wh.

On utilise usuellement deux sortes de « capacité » pour une pile (ou pour une batterie), sans toujours se rendre compte de la différence entre les deux, ni préciser de laquelle on parle[alpha 4] :

La capacité électrique

de symbole Q d'une pile est la quantité maximale de charge électrique qu'elle peut fournir au cours de son utilisation (décharge). Elle correspond au produit du courant qui sera fourni par le nombre d'heures d'utilisation. Dans le SI, elle s'exprime en coulombs (C), mais on utilise couramment l'ampère-heure (1 A h = 3 600 C) ou le milliampère-heure (1 mA h = 3,6 C).

La capacité énergétique

de symbole E est la quantité d'énergie qu'elle peut fournir lors de sa décharge. Elle correspond au produit de la puissance fournie par le nombre d'heures d'utilisation. Elle s'exprime couramment en watt-heure (Wh), ou en milliwatt-heure (mWh).

Il existe une relation simple entre ces deux capacités : la capacité énergétique est le produit de la capacité électrique par la tension nominale U de la pile :

${\displaystyle E={Q}*{U}}$

Il est important de ne pas confondre ces deux types de capacités. Mettre deux piles en série n'augmente pas la capacité électrique, alors que la capacité énergétique est multipliée par deux.

Sur l'image ci-contre on peut voir indiquées, sur un appareil de type power bank du commerce, les deux types de capacités[alpha 5].

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 l'altitude (moyenne) du réservoir par rapport aux turbines de l'usine hydroélectrique. Cette altitude est l'équivalent de la tension dans le cas d'une batterie (ou d'une pile).

La capacité électrique Q 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)[15].

Si l'intensité de décharge I est constante, la capacité Q est proportionnelle à la durée de décharge Δt :

${\displaystyle Q=I\times \Delta t}$

Si l'intensité i varie, alors :

${\displaystyle Q=\int _{0}^{\Delta t}i\,\mathrm {d} t}$

La capacité électrique théorique d'une pile (ou d'une batterie), telle que définie par les fabricants, est mesurée sur un échantillon du modèle en effectuant une décharge à 20 °C sur un équipement normalisé. L'intensité de décharge est choisie pour que celle-ci dure environ 20 h. Il ne reste plus qu'à faire le produit de l'intensité par le temps effectif de décharge.

Par exemple :si une pile de 1,5 V délivre 0,5 A pendant 21 h à la température normale d'une pièce, sa capacité électrique est de 0,5 x 21 = 10,5 Ah, et sa capacité énergétique est de 10,5 x 1,5 = 15,75 Wh

En fait ce n'est pas aussi simple, car :

1. 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% ?..)
2. la capacité ainsi mesurée dépend du courant de décharge (voir loi de Peukert ci-dessous)
3. on constate que des mesures répétées sur un même modèle dans les mêmes conditions donnent des résultats qui peuvent être très différents.^{[réf. nécessaire]}

La loi 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 :

${\displaystyle t={\frac {Q_{P}}{I^{k}}}}$

où :

• ${\displaystyle Q_{P}}$ est la capacité électrique théorique (en fait celle mesurée à 1 ampère(A)) ;
• ${\displaystyle I}$ est le courant effectivement débité par la pile en ampères ;
• ${\displaystyle t}$ est le temps de décharge ;
• ${\displaystyle k}$ 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 outre, pour les basses puissances, il faut prendre en compte l'auto-décharge :
pour une pile qui a une auto-décharge relativement élevée, l'auto-décharge peut consommer la majorité de la capacité de la batterie^{[réf. nécessaire]}. Précisons que toutes les piles se déchargent au cours du temps, même si elles ne sont pas utilisées^{[réf. nécessaire]}. Il existe des technologies de piles activables qui permettent de contrôler le démarrage de la réaction. Elles sont par exemple utilisées dans les éléments de sécurité (coussin gonflable, balise de détresse de bateau, etc.) ou dans certaines applications militaires. C'est aussi le cas des piles boutons zinc-air, il faut enlever la languette qui ferme l'élément avant de le mettre en service.

Beaucoup de piles sont utilisées par groupe de 2 à 6 éléments en série. La performance d'un assemblage de piles branchées en série est celle de son élément le plus faible. Par exemple une pile de 4,5 V est une assemblage dans le même boîtier de 3 piles de 1,5 V montées en série.

En 2004, 875 millions de piles ont été vendues en France (alcalines 75 %, salines 22 %, rechargeables 2 %)[16], 100 millions en Belgique en l'an 2000.

Parmi les fabricants de piles, on peut citer Duracell, Energizer, Sony, Rayovac, Varta, Philips, Panasonic, Saft, Kodak, Maxell, etc.

En moyenne, les piles électriques sont jetées alors qu'elles possèdent encore un tiers d'énergie utilisable[17], et 1/10 seraient encore presque neuves. En effet, les appareils électroniques (appareil photo numérique, lecteur MP3, etc.) ont besoin d'une tension 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 encore être utilisées pour alimenter des appareils moins exigeants (réveil, jouet, lampe de poche, télécommande, etc.).

Le principal danger direct pour l'homme est, de loin, l'ingestion par les jeunes enfants de piles bouton de taille moyenne (> 16 mm). Le risque majeur est celui d'un enclavement de la pile dans l’œsophage : l'électrolyse de l'eau avec la formation d'ions OH^- à l'anode constitue le mécanisme lésionnel essentiel, d'autant plus grand que la pile est neuve et de tension élevée (3,6 V pour les piles au lithium). Le risque lié à l'éventuelle libération des constituants d'une pile bouton est faible du fait de leur petite quantité dans ces petites piles.

D'un point de vue électro-chimique, les couples redox des piles alcalines zinc-manganèse (à l'anode et à la cathode) sont partiellement réversibles[18]. Les réactions chimiques inverses sont donc possibles. La chute de tension de la pile, qui se produit naturellement lors de la 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[19]^,[20].

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)[21]. Néanmoins, des régénérateurs de piles alcalines existent et sont commercialisés.

La directive européenne 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 (post-Brexit) à 27 pays, et 52% ne sont pas recyclées[22].

Ce chiffre varie de 96% en Croatie à 30% en Estonie[22].

• La Suisse est la première au monde avec 70 % des piles collectées ; une écotaxe (comprise dans le prix de vente) en finance le recyclage[23].
• L'objectif européen, fixé par la directive 2006/66/CE, est de 25 % en 2012 et 45 % en 2016[24].

En France, les piles ne doivent pas être jetées dans une poubelle ordinaire, mais amenées à un point de collecte (supermarchés, déchetteries, points de ventes…) pour être recyclées. La législation française a transposé la directive européenne dans un décret en 2009[25]. Afin de réduire la teneur en certains métaux toxiques des piles (mercure notamment), le décret précise :

« Les piles et les accumulateurs mis sur le 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. »[26]

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 qui leur sont apportés par les utilisateurs. Ils informent les utilisateurs de la possibilité d'apporter des piles et accumulateurs portables usagés sur leurs points de vente. Les conteneurs mis à la disposition des utilisateurs à cet effet sont mis en évidence et facilement accessibles. »[26]

Le recyclage permet de récupérer des métaux réutilisables (fer, manganèse, zinc et mercure principalement) ; la valorisation matière représente 87,3 %, en masse, des piles traitées en 2011, la valorisation énergétique (incinération des plastiques et de certains résidus de broyage) 9,2 %, les 3,5 % restant étant éliminés sans valorisation[27].

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 les objectifs.

• En France en 2011, 11 621 t de piles et d'accumulateurs (hors automobile et industrie) ont été collectées et recyclées selon l'Ademe, soit un taux de collecte de 36 %[27], et ce taux serait encore sous les 50 % (46 %) en 2016 selon Eucobat (la filière française fondée par Corepile et Screlec[28]).
• En 2018, selon Eurostat la France recycle 46% de ses piles[29].

• Notices d'autorité :

  • Bibliothèque nationale de France (données)
  • Bibliothèque du Congrès
  • Gemeinsame Normdatei
  • Bibliothèque nationale de la Diète
  • Bibliothèque nationale d’Espagne
• Notices dans des dictionnaires ou encyclopédies généralistes :

  • Enciclopedia italiana
  • Encyclopædia Britannica
  • Encyclopédie Treccani
• La pile de Volta
• Galvani, Volta et la découverte de la pile électrique.

• Portail de la chimie
• Portail de l’électricité et de l’électronique
• Portail de l’énergie