Imaginez un monde sans piles. Tous ces appareils portables dont nous sommes si dépendants seraient si limités ! Nous ne pourrions emmener nos ordinateurs portables et nos téléphones que jusqu’à la portée de leurs câbles, ce qui rendrait la nouvelle application que vous venez de télécharger sur votre téléphone plutôt inutile.
Heureusement, nous avons des piles. En Mésopotamie, en 150 avant J.-C., la culture Parthienne utilisait un appareil appelé la batterie de Bagdad, composée d’électrodes de cuivre et de fer avec du vinaigre ou de l’acide citrique. Les archéologues pensent que ce n’était pas vraiment des piles mais qu’elles étaient utilisées principalement pour les cérémonies religieuses.
L’invention de la pile telle que nous la connaissons est attribuée au scientifique italien Alessandro Volta, qui a mis au point la première pile pour prouver un point à un autre scientifique italien, Luigi Galvani. En 1780, Galvani avait montré que les pattes des grenouilles accrochées à des crochets en fer ou en laiton se contractaient lorsqu’on les touchait avec une sonde d’un autre type de métal. Il pensait que cela était dû à l’électricité provenant des tissus des grenouilles, et l’a appelé “électricité animale”.
Volta, bien qu’initialement impressionnée par les découvertes de Galvani, en est venue à croire que le courant électrique provenait des deux types de métal différents (les crochets sur lesquels les grenouilles étaient suspendues et le métal différent de la sonde) et qu’il était simplement transmis à travers les tissus des grenouilles, et non à partir de ces derniers. Il a fait des expériences avec des piles de couches d’argent et de zinc entrecoupées de couches de tissu ou de papier trempées dans de l’eau salée, et a découvert qu’un courant électrique passait en fait à travers un fil métallique appliqué aux deux extrémités de la pile.
Volta a également découvert qu’en utilisant différents métaux dans la pile, la quantité de tension pouvait être augmentée. Il a décrit ses découvertes dans une lettre adressée à Joseph Banks, alors président de la Royal Society of London, en 1800. C’était une affaire très importante (Napoléon était assez impressionné !) et son invention lui a valu une reconnaissance soutenue en l’honneur du “volt” (une mesure du potentiel électrique) qui porte son nom.
La chimie d’une pile
Une pile est un dispositif qui stocke l’énergie chimique et la convertit en électricité. C’est ce qu’on appelle l’électrochimie et le système qui sous-tend une batterie est appelé une cellule électrochimique. Une batterie peut être composée d’une ou plusieurs cellules électrochimiques (comme dans la pile originale de Volta). Chaque cellule électrochimique est constituée de deux électrodes séparées par un électrolyte.
D’où une cellule électrochimique tire-t-elle son électricité ? Pour répondre à cette question, nous devons savoir ce qu’est l’électricité. Plus simplement, l’électricité est un type d’énergie produite par le flux d’électrons. Dans une cellule électrochimique, les électrons sont produits par une réaction chimique qui se produit au niveau d’une électrode (pour en savoir plus sur les électrodes ci-dessous !), puis ils circulent vers l’autre électrode où ils sont épuisés. Pour bien comprendre cela, nous devons examiner de plus près les composants de la cellule et la façon dont ils sont assemblés.
Pour produire un flux d’électrons, vous devez avoir un endroit d’où les électrons peuvent partir et un autre où les électrons peuvent se rendre. Ce sont les électrodes de la cellule. Les électrons circulent d’une électrode appelée anode (ou électrode négative) à une autre électrode appelée cathode (l’électrode positive). Il s’agit généralement de différents types de métaux ou d’autres composés chimiques.
Dans la pile de Volta, l’anode était le zinc, à partir duquel les électrons circulaient à travers le fil (lorsqu’il était connecté) vers l’argent, qui était la cathode de la pile. Il a empilé beaucoup de ces éléments pour former la pile totale et faire monter la tension.
Mais d’où l’anode tire-t-elle tous ces électrons au départ ? Et pourquoi sont-ils si heureux d’être envoyés sur leur joyeux chemin vers la cathode ? Tout se résume à la chimie qui se passe à l’intérieur de la cellule.
Il y a quelques réactions chimiques en cours que nous devons comprendre. À l’anode, l’électrode réagit avec l’électrolyte dans une réaction qui produit des électrons. Ces électrons s’accumulent à l’anode. Pendant ce temps, à la cathode, une autre réaction chimique se produit simultanément qui permet à cette électrode d’accepter des électrons.
Le terme chimique technique pour une réaction qui implique l’échange d’électrons est une réaction de réduction-oxydation, plus communément appelée réaction redox. L’ensemble de la réaction peut être divisé en deux demi-réactions, et dans le cas d’une cellule électrochimique, une demi-réaction se produit à l’anode, l’autre à la cathode. La réduction est le gain d’électrons, et c’est ce qui se produit à la cathode ; on dit que la cathode est réduite pendant la réaction. L’oxydation est la perte d’électrons, c’est pourquoi nous disons que l’anode est oxydée.
Chacune de ces réactions a un potentiel standard particulier. Cette caractéristique correspond à la capacité/efficacité de la réaction à produire ou à aspirer des électrons – sa force dans une lutte à la corde.
Deux matériaux conducteurs qui ont des réactions avec des potentiels standard différents peuvent former une cellule électrochimique, car le plus fort sera capable de prendre des électrons au plus faible. Mais le choix idéal pour une anode serait un matériau qui produit une réaction avec un potentiel standard nettement plus faible (plus négatif) que le matériau que vous choisissez pour votre cathode. En fin de compte, les électrons sont attirés vers la cathode par l’anode (et l’anode n’essaie pas beaucoup de se battre), et lorsqu’elle dispose d’un chemin facile pour y accéder – un fil conducteur – nous pouvons exploiter leur énergie pour alimenter en électricité notre torche, notre téléphone ou autre.
La différence de potentiel standard entre les électrodes équivaut en quelque sorte à la force avec laquelle les électrons se déplacent entre les deux électrodes. C’est ce qu’on appelle le potentiel électrochimique global de la cellule, et il détermine la tension de la cellule. Plus la différence est importante, plus le potentiel électrochimique est élevé et plus la tension est élevée.
Pour augmenter la tension d’une batterie, nous avons deux options. Nous pouvons choisir différents matériaux pour nos électrodes, ceux qui donneront à la cellule un potentiel électrochimique plus élevé. Ou bien, nous pouvons empiler plusieurs cellules ensemble. Lorsque les cellules sont combinées d’une manière particulière (en série), cela a un effet additif sur la tension de la batterie. En gros, la force à laquelle les électrons se déplacent à travers la batterie peut être considérée comme la force totale lorsqu’elle se déplace de l’anode de la première cellule jusqu’à la cathode de la dernière cellule, quel que soit le nombre de cellules contenues dans la batterie.
Lorsque les cellules sont combinées d’une autre manière (en parallèle), cela augmente le courant possible de la batterie, qui peut être considéré comme le nombre total d’électrons circulant à travers les cellules, mais pas sa tension.
Mais les électrodes ne sont qu’une partie de la batterie. Vous vous souvenez des bouts de papier de Volta trempés dans de l’eau salée ? L’eau salée était l’électrolyte, un autre élément crucial de l’image. Un électrolyte peut être un liquide, un gel ou une substance solide, mais il doit être capable de permettre le mouvement des ions chargés.
Les électrons ont une charge négative, et comme nous envoyons le flux d’électrons négatifs dans notre circuit, nous devons trouver un moyen d’équilibrer ce mouvement de charge. L’électrolyte fournit un milieu à travers lequel les ions positifs à charge équilibrée peuvent circuler.
Comme la réaction chimique à l’anode produit des électrons, pour maintenir un équilibre de charge neutre sur l’électrode, une quantité correspondante d’ions chargés positivement est également produite. Ceux-ci ne descendent pas le long du fil externe (c’est pour les électrons uniquement !) mais sont libérés dans l’électrolyte.
En même temps, la cathode doit également équilibrer la charge négative des électrons qu’elle reçoit, de sorte que la réaction qui se produit ici doit attirer les ions chargés positivement de l’électrolyte (ou bien elle peut aussi libérer des ions chargés négativement de l’électrode dans l’électrolyte).
Ainsi, alors que le fil externe fournit la voie pour le flux des électrons chargés négativement, l’électrolyte fournit la voie pour le transfert des ions chargés positivement pour équilibrer le flux négatif. Ce flux d’ions chargés positivement est tout aussi important que les électrons qui fournissent le courant électrique dans le circuit externe que nous utilisons pour alimenter nos appareils. Le rôle d’équilibrage de la charge qu’ils jouent est nécessaire pour maintenir l’ensemble de la réaction en marche.
Maintenant, si tous les ions libérés dans l’électrolyte pouvaient se déplacer complètement librement dans l’électrolyte, ils finiraient par recouvrir les surfaces des électrodes et boucheraient tout le système. La cellule est donc généralement dotée d’une sorte de barrière pour empêcher cela.
Lorsque la batterie est utilisée, nous avons une situation où il y a un flux continu d’électrons (à travers le circuit externe) et d’ions chargés positivement (à travers l’électrolyte). Si ce flux continu est interrompu – si le circuit est ouvert, comme lorsque votre torche est éteinte – le flux d’électrons est interrompu. Les charges s’accumuleront et les réactions chimiques qui alimentent la batterie s’arrêteront.
Au fur et à mesure que la batterie est utilisée et que les réactions aux deux électrodes se poursuivent, de nouveaux produits chimiques sont fabriqués. Ces produits de réaction peuvent créer une sorte de résistance qui peut empêcher la réaction de se poursuivre avec la même efficacité. Lorsque cette résistance devient trop importante, la réaction ralentit. La traction des électrons entre la cathode et l’anode perd également de sa force et les électrons cessent de circuler. La batterie se décharge lentement, il est alors essentiel de tester ses piles avec un testeur.
Tension, courant, puissance, capacité … quelle est la différence ?
Tous ces mots décrivent essentiellement la force d’une batterie, n’est-ce pas ? Eh bien, en quelque sorte. Mais ils sont tous subtilement différents.
Tension = force à laquelle la réaction qui entraîne la batterie pousse les électrons à travers la cellule. C’est ce que l’on appelle le potentiel électrique, et cela dépend de la différence de potentiel entre les réactions qui se produisent à chacune des électrodes, c’est-à-dire de la force avec laquelle la cathode va tirer les électrons (à travers le circuit) de l’anode. Plus la tension est élevée, plus le même nombre d’électrons peut effectuer de travail.
Courant = le nombre d’électrons qui passent par un point quelconque d’un circuit à un moment donné. Plus le courant est élevé, plus le travail peut être effectué à la même tension. Dans la cellule, vous pouvez également considérer le courant comme le nombre d’ions qui se déplacent à travers l’électrolyte, multiplié par la charge de ces ions.
Puissance = tension x courant. Plus la puissance est élevée, plus la vitesse à laquelle une batterie peut fonctionner est rapide. Cette relation montre à quel point la tension et le courant sont tous deux importants pour déterminer à quoi une batterie est adaptée.
Capacité = la puissance de la batterie en fonction du temps, qui est utilisée pour décrire la durée pendant laquelle une batterie pourra alimenter un appareil. Une batterie de grande capacité pourra continuer à fonctionner pendant une période plus longue avant de tomber à plat ou de manquer de courant. Certaines piles ont un triste petit défaut : si vous essayez d’en tirer trop rapidement, les réactions chimiques impliquées ne peuvent pas suivre et la capacité est moindre ! Il faut donc toujours être prudent quand on parle de la capacité d’une batterie et se rappeler à quoi elle va servir.
Un autre terme populaire est celui de “densité énergétique”. Il s’agit de la quantité d’énergie qu’un appareil peut contenir par unité de volume, en d’autres termes, le rapport entre la puissance et la taille. Avec une batterie, plus la densité énergétique est élevée, mieux c’est, car cela signifie que la batterie peut être plus petite et plus compacte, ce qui est toujours un plus lorsque vous en avez besoin pour alimenter un objet que vous voulez garder dans votre poche. C’est même un plus pour les voitures électriques : la batterie doit pouvoir tenir dans la voiture d’une manière ou d’une autre !
Pour certaines applications, comme le stockage de l’électricité dans une centrale d’énergie renouvelable comme un parc éolien ou solaire, une densité énergétique élevée n’est pas un problème, car ils auront très probablement suffisamment d’espace pour stocker les batteries. L’objectif principal de cette utilisation serait de stocker simplement autant d’électricité que possible, de manière aussi sûre et économique que possible. Traduit avec www.DeepL.com/Translator (version gratuite)
