Dans les années 1800, le physicien Alexandre Volta empila des rondelles de cuivre et de zinc séparées
par des linges imbibés de solution d’acide sulfurique (H+;SO42- ). Il
découvrit ainsi que cette pile de métaux produisait un courant électrique. La première pile
électrochimique venait de naître.
I) Quels sont les principes des piles et des accumulateurs ?
Les piles convertissent l’énergie chimique en énergie électrique
grâce à un transfert spontané d’électrons qui se produit entre deux couples oxydant-réducteur.
Les deux couples oxydant-réducteur n’étant pas en contact direct, le transfert d’électrons s’effectue par
l’intermédiaire du circuit électrique extérieur. Les piles ou les accumulateurs sont
constitués de 3 éléments principaux conduisant le courant électrique : une électrode positive (la
cathode), une électrode négative (l’anode) et un électrolyte,
liquide ou gélifié contenant des ions.
a) Quelle différence entre une pile alcaline et saline ?
La différence entre une pile alcaline et une pile saline se situe à plusieurs niveaux.
Le premier, c'est la composition de l'électrolyte. L'électrolyte est une substance ou un composé qui, à l'état liquide ou en solution, permet le passage du courant électrique par déplacement d'ions. Les piles ont deux électrodes qui sont le pôle positif et le négatif et ces électrodes sont plongées dans l'électrolyte pour transformer l'énergie chimique en énergie électrique.
Dans une pile alcaline, l'électrolyte est de la potasse ; le potassium est un métal alcalin ce qui donne le nom de pile alcaline. Dans une pile saline, l'électrolyte est du chlorure d'ammonium qui est un composé ionique que l'on appelait sel d'où le nom de pile saline.
Une pile alcaline est plus chère car plus performante. Elle se décharge de manière progressive en 50 ou 60 heures, tandis qu'une pile saline va se décharger de manière régulière en environ 20 à 25 heures.
b) Calculer la force électromotrice (f.e.m.) d’une pile.
Le transfert d’électrons dans une pile est spontané et se fait par le circuit extérieur de la pile. Il est dû à la
dissymétrie entre les couples rédox Zn2+/Zn et Cu2+/Cu.
La force électromotrice (f.e.m.) de cette pile se calcule à l’aide de la table des potentiels standards de quelques
couples rédox suivante :
La force électromotrice E de la pile cuivre zinc étudiée en T.P. est : Ecrire l'opération
telle qu'elle est proposée initialement, on mettra les opérateurs + ou - dans les cases vertes Les erreurs sont mises en évidence par la couleur rouge donnée à celles-ci...
Lorsque la pile fonctionne, l’anode en Zinc s’use irréversiblement. Les piles hors d’usage doivent être recyclées.
Un accumulateur est un dispositif destiné à stocker de l’énergie qui lui permettra de fournir un courant électrique.
Il est parfois appelé « à tort » pile rechargeable. Lorsque l’on parle d’éléments rechargeables, on utilise le terme
d’accumulateur. On les distingue des piles électriques qui, par définition, ne sont pas
rechargeables. Les piles fournissent la quantité d’électricité prévue lors de leur fabrication. Après leur fin de vie,
il faut les recycler. En effet, les piles et les accumulateurs contiennent des métaux lourds (mercure, zinc, plomb,
cadmium) en grandes quantités. Ces métaux lourds sont connus pour être dangereux pour la santé et pour l’environnement :
une pile au mercure jetée dans la nature suffit pour contaminer 1m3 de terre et 1 000 m3 d’eau
pendant 50 ans !
En raison de la dangerosité des métaux lourds, la santé publique est également concernée par ces pollutions. - Les intoxications au mercure sont possibles par inhalation ou ingestion. Manger des animaux contaminés par
le mercure est donc un vecteur d’intoxication. Ce métal est connu depuis l’antiquité pour provoquer des troubles
neurologiques : tremblements, difficultés d’élocution… - Les autres métaux lourds ont des effets tout aussi effrayants sur le système nerveux, le sang et les reins.
Les batteries d’automobile sont constituées d’accumulateurs au plomb. La tension mesurée aux bornes d’un accumulateur
est d’environ 2 V. Pour obtenir la tension recherchée (6V, 12 V, 24 V), Les accumulateurs sont montés en série et
constituent une batterie d’accumulateurs.
Chaque accumulateur comprend deux électrodes en plomb (Pb) dont l’une est recouverte de dioxyde de plomb (PbO2)
baignant dans une solution aqueuse d’acide sulfurique.
Au cours de la décharge, l’accumulateur est un générateur de courant continu. Il se comporte comme une
pile. Les réactions sont spontanées : la borne négative est le siège d’une oxydation (perte d'
électrons)
Pb → Pb2+ + 2 e–
tandis qu’une réduction (gain d'électrons) se déroule à la borne positive.
PbO2 + 4 H+ + 2 e– → Pb2+ + 2 H2O
Au cours de la charge, l’accumulateur fonctionne en récepteur : sa borne négative est reliée à la borne
négative d’un générateur et sa borne positive est reliée à la borne positive de ce générateur. Le générateur délivre
une tension continue supérieure à celle de l’accumulateur et impose le sens du courant. Les réactions chimiques sont
des réactions forcées, en sens inverse de celles observées au cours de la décharge.
Lors de la transformation électrochimique, les réactions chimiques mises en jeu aux électrodes sont des réactions
d’oxydoréduction. Le transfert d’électrons se fait par le circuit extérieur de la pile ou
de l’accumulateur.
Durant la décharge, l’anode (borne négative) subit une oxydation (perte d’électrons) et la
cathode (borne positive) subit une réduction (gain d’électrons).
- Sa capacité Q à garder la charge dans le temps, ce qui correspond à la quantité d'électricité emmagasinée
par l'accumulateur. Elle se mesure en Ah ou mAh , en multipliant un courant constant I par le temps de charge/décharge
t. Cette capacité diminue au fur et à mesure de la vie de l'accumulateur.
Q = I.t
- L'énergie stockée dans la batterie E (en Wh) est égale à sa charge électrique Q (en Ah) multipliée par la
tension moyenne U (en V) sous laquelle cette charge est déchargée.
E = Q.U
Exemple : Batterie 12 V / 50 Ah / 420 A (Tension / capacité / courant maxi)
On distinguera les associations en série (l’intensité est constante, les tensions s’additionnent), des associations
en parallèle (ou dérivation) ou c’est l’inverse (la tension est constante, les intensités s’additionnent.)
Exercice N°1: Citer deux critères et les commenter qui font que l’on choisisse plus facilement des
batteries Li-ion que des batteries au plomb. Prendre les critères dans l'ordre d'apparition du tableau. Les erreurs sont mises en évidence par la couleur rouge donnée à celles-ci...
Exercice N°2: Les batteries d’accumulateurs Lithium Polymère (LiPo) équipent la plupart des drones. Répondre aux questions.
Les erreurs sont mises en évidence par la couleur rouge donnée à celles-ci...
Exercice N°3: Voici une batterie de lampe à dynamo formé de plusieurs accumulateurs. Répondre aux questions.
Les erreurs sont mises en évidence par la couleur rouge donnée à celles-ci...
