Les piles et les accumulateurs

Les piles salines ont été inventées en 1867 par Georges Leclanché. Ainsi, cette pile porte aussi le nom de « pile Leclanché ». Dans une version moderne, on a la structure suivante :


Comme pour la pile Daniell, l’anode est en zinc. Durant le fonctionnement de la pile, le zinc s’oxyde selon la demi-équation électronique :

Les électrons sont libérés dans le circuit électrique par la borne – qui est reliée électriquement au zinc.

L’électrolyte est du chlorure d’ammonium . Afin que la pile ne coule pas, il se présente sous la forme d’un gel. Cet électrolyte est un sel, d’où le nom de pile saline. Comme les deux électrodes sont en zinc et en graphite, on rencontre aussi les termes de pile carbone-zinc ou zinc-charbon. Mis en solution, les ions ammonium acidifient le milieu. Cela se manifeste pour notre explication par des ions en solution.

Du côté de la cathode, on a réduction du dioxyde de manganèse :

Les électrons sont aspirés du circuit électrique par l’intermédiaire de la borne + et de l’électrode en graphite, électriquement conductrice.

La réaction globale qui se produit dans la pile s’obtient avec les deux demi-équations :


La force électromotrice E d’une pile saline est de 1,5 V environ. Afin de rendre l’électrolyte plus conducteur, on y rajoute des particules de carbone. Dans certaines piles, le dioxyde de manganèse et l’électrolyte sont mélangés. La résistance interne d’une pile neuve n’est que de quelques ohms. Cependant, à mesure que la pile débite, elle a tendance à augmenter.

Les piles alcalines, ou piles Mallory, ont été développées pendant la seconde guerre mondiale et mises en vente dès 1959. On les représente de la manière suivante :


La cathode est formée par un tube en acier. Il contient du dioxyde de manganèse mélangé à du carbone. L’anode est constituée par une pointe reliée à la borne –, et entourée de poudre de zinc noyée dans un électrolyte, la potasse . En solution, celle-ci forme les ions potassium et hydroxyde . Les rendent le milieu basique (). Comme ils constituent avec des métaux alcalins (comme le potassium) des solides ioniques, l’ancien terme pour désigner un milieu basique était alcalin. Cela a donné le nom de pile alcaline.

Entre l’anode et la cathode se trouve une séparation qui laisse passer les ions mais empêche l’anode et la cathode de se mélanger.

Au niveau de l’anode, le zinc s’oxyde, selon la demi-équation :

Il y a libération d’électron dans le circuit électrique : l’anode est la borne –.

Au niveau de la cathode, le dioxyde de manganèse est réduit :

Les électrons sont consommés : la cathode constitue la borne +.

L’équation globale de la réaction qui a lieu dans la pile est :

Bien entendu, on peut simplifier les et les …

La force électromotrice de la pile alcaline est de 1,5 V comme pour la pile saline. Par contre, les piles alcalines sont plus performantes : durée de vie plus longue et autorisent des courants électriques plus importants. Actuellement en France, les piles alcalines représentent environ les trois quart des ventes de piles électrochimiques.

Les accumulateurs électrochimiques ont un double mode de fonctionnement : générateur (décharge), où ils convertissent de l’énergie chimique en énergie électrique, et récepteur (charge), où ils réalisant la conversion inverse. Par exemple, une batterie de voiture est un accumulateur.

Les batteries au plomb sont très utilisées pour cette application. Leur invention date de 1859, par Gaston Planté. Elles sont composées de plaques munies d’alvéoles. Les plaques reliées à la borne négative sont remplies de plomb poreux, sous forme de pâte, et les plaques reliées à la borne positive sont remplies de dioxyde de plomb . Ces plaques baignent dans une solution concentrée d’acide sulfurique (concentration de l’ordre de ).


→ En décharge, le plomb au niveau de la borne – s’oxyde selon la demi-équation :

Du fait de cette réaction d’oxydation, la borne – est l’anode. Les électrons sont injectés dans le circuit électrique auquel la batterie est reliée.

Du côté de la borne +, le dioxyde de plomb est réduit :

La borne + est la cathode.

La réaction globale de décharge de la batterie s’écrit comme :

Il s’agit d’une réaction spontanée : elle peut avoir lieu sans apport d’énergie extérieur. Les couples rédox intervenant sont et . Aussi, intervient à la fois comme réducteur et comme oxydant, ce qui fait de lui un ampholyte.

→ En charge, la batterie est reliée à un générateur électrique (chargeur) : borne + du générateur sur la borne + de la batterie. Idem pour la borne –. Les ions qui ont été mis en solution lors de la décharge vont alors réagir.

Au niveau de la borne –, ils sont réduits afin de redonner du plomb sous forme solide :

Le fait que la réaction soit une réduction signifie que la borne – est la cathode durant la charge de la batterie. Les électrons consommés sont ceux associés au courant électrique engendré par le chargeur.

Au niveau de la borne +, le dioxyde de plomb se reforme selon la réaction d’oxydation :

La borne + est l’anode.

→ La réaction globale de charge de la batterie est :

Cette réaction n’est pas spontanée : elle a besoin de l’énergie électrique du chargeur pour se produire. On la qualifie de réaction forcée. C’est la réaction inverse de la réaction de décharge. Ainsi, une batterie peut être chargée et déchargée plusieurs fois.

La tension entre deux plaques plomb/dioxyde de plomb est . Dans une batterie, plusieurs éléments comme celui du dessin sont branchés en série. Pour les véhicules ordinaires, la tension est de 12 V (6 éléments). Elle vaut 24 V (12 éléments) pour les batteries de poids lourd et les véhicules militaires.

La résistance interne r d’une batterie au plomb est très faible, de l’ordre du centième d’Ohm. L’intensité de court-circuit d’un générateur électrique est . En conséquence, une batterie de 12 V peut atteindre un courant de court-circuit de 1200A. Il y a donc risque d’incendie et de projection d’acide brulant.