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Comment recharger une pile ?

Revenons tout d’abord sur ce qu’est l’électricité

L’électricité est composée de particules électriques chargées négativement, des électrons qui se déplacent dans le circuit électrique. Pour produire de l’électricité, il faut donc produire des électrons. Dans une pile, c’est une réaction chimique qui produit ces électrons.

Il y a en fait beaucoup de réactions chimiques qui libèrent des électrons. Par exemple, il suffit de plonger certains métaux comme le zinc, le nickel, le fer ou le plomb dans de l’acide pour que ces métaux cèdent des électrons. Il est très facile d’obtenir une telle réaction chimique. Faisons une petite expérience, prenez un trombone qui est composé d’acier recouvert de zinc et plantez le dans un citron, le zinc s’oxyde au contact de l’acide citrique en libérant des électrons.

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Mais maintenant, comment récupérer ces électrons pour allumer une ampoule ? Revenons à notre réaction chimique, les atomes métalliques ont libéré des électrons et donc ils deviennent chargés électriquement, les atomes se sont transformés en ions. Nous avons donc dans notre pile, notre citron, d’une part des électrons chargés négativement et d’autre part, des atomes chargés positivement, nos électrons ne sont plus rattachés à un atome, ils sont donc en quelque sorte sdf, ils vont donc se chercher un nouveau domicile, un autre atome.

Dans notre pile

Dans notre pile, il se produit une autre réaction chimique qui cette fois va en quelque sorte absorber les électrons. Dans un citron, cette réaction transforme les zones d’hydrogène de l’acide citrique en gaz d’hydrogène. En fait, les 2 réactions chimiques, celle qui produit les électrons et celle qui absorbe les électrons, sont indissociables. Les électrons ne peuvent être libérés que s’ils sont immédiatement réabsorbés.

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Tout l’art de faire une pile consiste donc à faire en sorte que les électrons, entre les 2 réactions, empruntent le circuit électrique que l’on veut alimenter plutôt que de rejoindre directement l’ion positif qui sera leur nouveau domicile. Dans notre citron, il suffit de relier notre morceau de zinc à une ampoule à l’aide d’un fil de cuivre, puis de relier l’autre électrode de l’ampoule au citron à l’aide d’un autre fil de cuivre. L’ampoule s’allume car les électrons passent par le circuit avant de se recombiner avec les ions d’hydrogène. Malheureusement, l’ampoule ne va pas rester allumée indéfiniment car les réactions chimiques épuisent les produits chimiques présents dans le citron. Quand il n’y aura plus de zinc ou d’ions d’hydrogène, les réactions chimiques s’arrêteront et il n’y aura plus de courant dans le circuit.

C’est aussi ce qui se passe dans une pile alcaline traditionnelle où l’échange d’électrons se fait non pas entre le zinc et de l’hydrogène mais entre du zinc et de l’oxyde de manganèse. Mais alors une fois la pile déchargée comment faire pour la recharger. Les réactions chimiques intervenant dans la pile sont partiellement réversibles, c’est-à-dire que si l’on fournit de l’électricité, la réaction chimique s’inverse. Dans notre citron, l’hydrogène s’ionise et les ions de zinc se retransforment en métal. En fait, ce n’est pas si simple car dans notre citron, l’hydrogène, qui est un gaz s’est répandu dans l’atmosphère. Donc pour la pile au citron, c’est fini. Quand la pile est déchargée, il faut changer de citron.

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Pour obtenir une pile rechargeable

Pour obtenir une pile rechargeable, il faut donc trouver un couple de réactions chimiques que l’on peut inverser. C’est le cas, par exemple, dans les piles rechargeables NIMH où l’hydrure métallique le MH de NIMH se transforme dans le métal correspondant en libérant des électrons tandis que l’oxyhydroxyde de nickel, le NI de NIMH se transforme en hydroxyde de nickel en capturant les électrons. Cette réaction est réversible, en fournissant les électrons, c’est-à-dire de l’électricité, les produits chimiques initiaux se reforment et la batterie peut à nouveau fournir de l’électricité.

fiches pratiques

Les piles et batteries rechargeables

Pascal

Les piles secondaires existent depuis presque aussi longtemps que les piles primaires, mais sont capables d’inverser leur production d’ions par réaction chimique d’oxydation de la cathode et l’anode, la réduction en présence d’un courant inverse. Plus simplement, elles se rechargent lorsque vous inversez le flux d’électrons dans le circuit. Les trois chimies les plus communs des batteries secondaires sont les batteries au plomb, à base de nickel et au lithium-ion sont omniprésentes dans la société actuelle, notamment pour les téléphones cellulaires, les ordinateurs portables…

L’inventeur de la pile rechargeable

Gaston Plante a inventé la technologie de la première batterie rechargeable, la cellule humide plomb-acide en 1859. Ces batteries au plomb utilisent des électrodes à un conducteur, une pâte de dioxyde de plomb-submergée dans un mélange acide sulfurique / eau, connue sous le nom d’électrolyte.
A la différence des batteries à base de lithium, l’électrolyte dans une batterie au plomb-acide ne se contente pas d’agir comme tampon entre les pôles des électrons mais contribue activement au processus. Comme une batterie au plomb-acide libère du courant, l’électrolyte et les plaques s’oxydent, ce qui donne des électrons pour produire de l’eau et du sulfate de plomb. Inverser le courant électrique dans la cellule inverse également la réaction, la production de l’électrolyte et le plomb

Les accumulateurs au plomb ne sont pas très efficaces, en fait, ils possèdent une capacité très basse d’énergie en raison de leur poids et de leur volume.
Ce qu’ils ont, cependant, c’est la capacité de pouvoir fournir un courant de grande intensité. Les batteries au plomb sont capables de fournir une surtension que les autres batteries ne peuvent pas. C’est pourquoi la plupart des batteries automobiles sur le marché aujourd’hui sont des batteries plomb-acide.

Les batteries plomb-acide sont également excellentes pour maintenir une charge, ce qui les rend parfaitement adaptées pour les services publics intermittents comme des signaux de passage à niveau où une seule batterie peut être utilisée pour un maximum de 25 ans et aux lieux où le poids n’est pas un problème, par exemple, les sauvegardes d’urgence pour les hôpitaux, les centres de télécommunications, ces batteries sont couramment utilisées compte tenu de leur longue durée de vie. L’US Navy emploie même d’énormes batteries au plomb-acide pour la propulsion électrique de ses sous-marins nucléaires modernes.

Évolution de la pile rechargeable

Dans les années 1970, cette technique a connu un changement significatif avec l’avènement de la vanne régulée au plomb, batterie qui utilise un électrolyte en gel en suspension plutôt que de liquide, lui permettant d’être utilisée dans n’importe quelle position comme la Pile Duluc. Lorsque les batteries VRLA déchargent, elles génèrent de l’oxygène au pôle positif qui se combine avec l’hydrogène produit à la négative pour produire de l’eau. Ce qui évite l’ajout régulier d’eau. Et si elles produisent trop hydrogène, les cellules sont équipées de valves de pression sensibles pour évacuer l’excès de pression (jusqu’à 40 PSI sur certains modèles) causé par la surcharge. Toutefois, si ces vannes sont défectueuses ou bloquées par des débris, elles peuvent exploser. Les batteries VRLA se divisent en 2 types les Glass Mat (AGM) et Gel. Les batteries AGM suspend l’électrolyte dans un séparateur en fibre de verre avec les plaques à proximité de chaque côté pour améliorer l’efficacité du cycle de la batterie. Ces batteries AGM sont les plus aptes à fournir des courants très élevés pendant de courtes durées (démarrage). Leur manque d’électrolyte liquide les rend particulièrement bien adaptées pour les stations de surveillance de la glace comme en Arctique, par exemple, car elles ne gèlent pas contrairement aux cellules humides. Les cellules sous forme de gel, d’autre part, ont leur électrolyte mélangé avec la poussière de silice pour former un gel immobilisé. Cela leur permet d’être utilisées dans des environnements plus difficiles et de mieux résister à des températures très basses, aux chocs et aux vibrations que les cellules humides. Elles bénéficient également d’une longue durée de conservation.

Les batteries VRLA ont aussi quelques inconvénients. Il y a les batteries AGM dont les prix sont à peu près le double du prix d’une cellule humide et les batteries Gel dont le prix peut être cinq fois plus cher. Elles se rechargent également plus lentement et ont une tension inférieure aux cellules humides à cause de la présence de calcium sur les plaques pour réduire la perte d’eau. Êtant «scellées», il n’existe aucun moyen de vérifier la concentration de l’électrolyte. Et, par rapport à des cellules humides, ces batteries tolèrent beaucoup moins des températures élevées et au-dessus de la charge, qui risquent de raccourcir considérablement la durée de fonctionnement de la batterie.