PILE S

-piles

Une pile est un appareil générateur de courant électrique -continu- dont les intermédiaires de production énergétique sont :

-soit une réaction chimique (cas des piles électriques, galvaniques, électrolytiques)

-soit une reconstitution chimique, c'est à dire l'inverse de l'électrolyse (cas des piles à combustible)

-soit une utilisation de photons (cas des piles solaires, photovoltaïques)

-soit la transformation de matières fissiles (piles atomiques)

 

PILE ÉLECTRIQUE

-le principe  est la transformation d'une énergie chimique (échanges ioniques) en énergie électrique

-d'une part, il y a un corps réducteur, qui offre (lâche, cède, abandonne) des électrons et qui, subissant une oxydation, devient oxydé (il a moins d'électrons) Ce réducteur peut être par exemple une tige de zinc formant l'anode, ou pôle (-) qui, après réaction avec un fluide ambiant dit électrolyte,  permet la transformation de Zn en Zn2+ + 2 électrons

-à côté, il y a un corps oxydant, qui veut capter (prendre, obtenir) des électrons et qui, après la réduction qu'il subit, devient réduit (il a plus d'électrons) Cet oxydant peut être par exemple une tige de cuivre formant la cathode, ou pôle (+) qui, après réaction avec un autre électrolyte ambiant,  permet la réaction Cu2+ + 2 électrons >>> Cu (il y a augmentation du volume de Cu sur la cathode)

La conjonction des 2 phénomènes (dit redox = réduction d'un côté et oxydation de l'autre) aboutit à 2 mouvements d'électrons dans la même direction, formant un courant électrique circulant extérieurement dans un câble métallique

Une liaison interne boucle le circuit: c'est un pont électro-salin (pour circulation des ions entre les 2 compartiments)

Les électrodes métalliques sont (en Zn,Li,Cu,Ag,Hg,Ni…) 

Les électrolytes sont (des sels en solution, H²SO,CuSO4.…)

 

-caractéristiques

-type d’utilisation: en principe,une pile n’est pas rechargeable (elle restitue son stock chimique d’énergie, point final -contrairement à une batterie d’accus qui est multi-rechargeable-)

Dans les faits, quelques piles salines et alcalines sont rechargeables, mais seulement deux ou trois fois, sous réserve que leur tension ne soit pas descendue plus bas que 1 V (sinon la recharge n’est pas complète, c’est une simple régénération) et sous réserve -en plus- que la recharge soit pratiquée très lentement

C'est pour cela que l’utilisation d’une pile concerne plutôt les faibles puissances

-voltage  les éléments constitutifs d'une pile font chacun 1,5 Volt (pour les salines et alcalines) et 4,5 V (pour celles au lithium)

-la borne(-) d'une pile est l'anode, fournisseuse d'électrons et qui sera le siège d'une oxydation

-la borne (+) d'une pile est la cathode, receveuse d'électrons et qui va être réduite (subi une réduction)

-étalonnage des éléments d’une pile-étalon

on choisit une force électromotrice unitaire de 1,0183 Volt (élément d’une pile Weston) ou 1,3 Volt (élément d’une pile mercurielle)

Exemple d'une pile galvanique (comportant Zn, Cu et H²O) >>>

---il y a une part d'oxydation (à l'anode) où  Zn donne Zn2+ + 2 électrons

cela produit -0,76 Volt

---une part de réduction (à la cathode) où Cu2+ + 2 électrons  donne Cu

cela produit -0,35 Volt et la somme des 2 donne ~ -1,2 Volt

--une pile ne doit pas décharger au-dessous de 0,9 V

Exemple d’une pile électrolytique (ou électrochimique) >>>

ici on doit apporter de l'énergie électrique pour déclencher la réaction chimique (une électrolyse qui, par exemple, va dissocier de l'eau incluse dans une solution sodique, sous forme de H² au pôle - et de O² au pôle +)

Ces piles servent dans l’industrie (par exemple électrosynthèse de l’aluminium)

 

-bilan énergétique d'une pile (formules de Helmoltz)

U = Q + T.ΔU / ΔT

où U(V)= force électromotrice

U(J)= énergie interne

T(K)= température absolue

Q(C)= charge

et  F = U.Q

avec F(J)= énergie de Helmoltz (ou énergie libre)

 

-résistance interne d'une pile électrique

l'intensité i(A) débitée par une pile est: i = U / (R + Ri)

et la puissance est P = U².R / (R + Ri

où U(V)= potentiel électrique

R(Ohm)= résistance du circuit

Ri(Ohm)= résistance interne de la pile

 

TYPES de PILES

-piles sèches

Exemple la pile Leclanché (ou pile zinc-charbon)

Il n'y a plus de liquide, car on a;

-un électrolyte pâteux (chlorure d'ammonium NH4Cl)

-une cathode (+) en charbon (graphite C) entouré d'un dépolarisant (MnO²)

-une anode (-) en zinc (Zn)

La pile est usée quand le Zn est entièrement consommé

 

-piles jetables

Exemples: piles Volta, Daniell, alcalines, au Lithium

 

-piles rechargeables

(ce sont en fait des accumulateurs et pas des piles)

les électrolytes sont souvent des gels, du sel fondu...

 

PILE à COMBUSTIBLE

on utilise ici le phénomène inverse d'une électrolyse, avec génèration de courant électrique à partir d'énergie chimique

-il y a un électrolyte*, avec une oxydation sur une anode** adjointe à une réduction sur une cathode*** et ceci à température entre (60° et 120°) C

* l'électrolyte peut être Pt ou KOH ou acide phosphorique...

** l'anode peut être un combustible gazeux réducteur (comme H² ou méthanol)

*** la cathode peut être un gaz oxydant (comme O² ou air)

Chimiquement, c'est propre (avec électrodes gazeuses, il n'y a que production d'eau)

La gamme de production de ces appareils va de (1 kW à 100 MW)

Leur rendement est de 50 à 60%

 

PILE PHOTOVOLTAÏQUE

La technique photovoltaïque permet de transformer l'énergie lumineuse (usuellement solaire) en électricité   Voir chapitre spécial

 

PILE ATOMIQUE

C'est le nom simpliste d'un réacteur nucléaire

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