Si nous regardons une télécommande de téléviseur ou un téléphone et que nous voyons comment ils s'allument et fonctionnent, nous savons qu'ils ne le font pas tout seuls. Au lieu de cela, ils sont équipés de petits blocs appelés batteries, qui sont constitués d'éléments appelés piles. Les piles et batteries leur fournissent l'énergie nécessaire à leur fonctionnement. Nous savons que dans certains cas, elles peuvent être rechargées et que dans d'autres, elles doivent être totalement remplacées. Mais comment ces piles fonctionnent-elles ? C'est ce que nous allons explorer dans ce résumé de cours.
- Nous allons étudier ce que sont les piles et les batteries.
- Nous commencerons par examiner la cellule électrochimique et la batterie.
- Nous présenterons ensuite les réactions d'oxydoréduction et l'électrolyte.
- Puis, nous verrons les types de piles et de batteries.
- Avant de terminer, nous expliquerons la durée de vie des piles et des batteries.
- Enfin, nous examinerons les accumulateurs électriques.
Qu'est-ce qu'une cellule électrochimique ?
Une cellule électrochimique est un dispositif capable de générer de l'énergie électrique à partir des réactions chimiques qui s'y produisent ou d'utiliser l'énergie électrique qui lui est fournie pour faciliter les réactions chimiques qui s'y produisent. Ces dispositifs sont capables de convertir l'énergie chimique en énergie électrique, ou vice versa.
Un exemple courant de cellule électrochimique est une pile standard de \( 1,5 \) volt utilisée pour alimenter de nombreux appareils électriques tels que les télécommandes de téléviseurs et les horloges.
Les cellules électrochimiques se composent généralement d'une cathode et d'une anode. Les principales caractéristiques de la cathode et de l'anode sont présentées dans le tableau ci-dessous.
| Cathode | Anode |
| Le signe positif indique que des électrons sont consommés ici. | Le signe négatif indique que des électrons sont libérés à ce niveau. |
| Une réaction de réduction se produit à la cathode d'une cellule électrochimique. | Une réaction d'oxydation se produit ici |
| Les électrons se déplacent vers la cathode | Les électrons sortent de l'anode |
Les caractéristiques de la cathode et de l'anode.
Qu'est-ce qu'une batterie ?
Une batterie est un dispositif électrochimique composé d'une ou plusieurs piles électrochimiques qui sont chargées par un courant électrique et déchargées à chaque fois que cela est nécessaire.
Les batteries, ou piles, utilisent des métaux réactifs afin de fournir un flux d'électrons pour former un courant électrique qui alimente un appareil. En utilisant l'ordre de réactivité des métaux, nous pouvons étudier comment deux métaux réagissent pour remplir leur fonction.
Pour ce faire, nous utilisons des métaux réactifs qui produisent de l'énergie pour fonctionner. Nous pouvons utiliser l'ordre de réactivité de certains éléments pour former une cellule électrique. Ces cellules permettent au flux d'électrons de former un courant électrique qui alimente l'appareil.
Demi-équations : Réaction d'oxydoréduction
Lorsque nous étudions les batteries, nous utilisons deux éléments différents qui réagissent l'un avec l'autre pour former un courant électrique. En termes d'équations, nous pouvons donc utiliser l'équation de l'un des éléments oxydés, connue sous le nom de demi-équation, et utiliser l'équation d'un autre élément réduit, également une autre demi-équation, pour former une équation complète décrivant la réaction de la pile. C'est également un exemple de réaction d'oxydoréduction.
La réaction d'oxydoréduction est une réaction dans laquelle il y a à la fois oxydation et réduction.
L'oxydation est une réaction dans laquelle les réactifs perdent des électrons.
La réduction est une réaction dans laquelle les réactifs gagnent des électrons.
Voyons maintenant comment joindre deux demi-équations :
1. Détermine l'équation pour le réactif qui est réduit :
$$ Cu^{2+}_{(s)} + 2e^{-} \rightarrow C_{(s)} $$
Ici, \( Cu^{2+} est réduit en Cu_{(s)} \) .
2. Déterminer l'équation du réactif oxydé.
$$ Zn_{(s)} \rightarrow Zn^{2+}_{(aq)} + 2e^{-} $$
Le \( Zn_{(s)} \) est oxydé en \( Zn^{2+} \) .
3. Relie les équations en tenant compte du nombre d'électrons dans les deux :
$$ Zn_{(s)} + Cu^{2+}_{(aq)} +2e^{-} \rightarrow Zn^{2+}_{(aq)} + Cu_{(s)} +2e^{-} $$
Nous pouvons voir qu'il y a deux électrons de chaque côté de l'équation. Ces électrons s'annulent pour former l'équation finale.
$$ Zn_{(s)} + Cu^{2+}_{(aq)} \rightarrow Zn^{2+}_{(aq)} + Cu_{(s)} $$
Comme tu peux le constater, nous ne présentons plus les électrons dans l'équation finale, et il s'agit de l'équation complète de la réaction.
Il est important de se rappeler que le nombre d'électrons n'est pas toujours le même et qu'il faut donc veiller à ce que l'équation soit équilibrée.
Étude des cellules électrochimiques
Nous avons déjà étudié le fonctionnement d'une cellule et cela contribue également à la façon dont nous pouvons en étudier une. Regardons à nouveau cette image. Nous pouvons voir que le zinc est à l'anode et le cuivre à la cathode et qu'entre la boîte étiquetée \( R \) se trouve le voltmètre qui mesure la tension. La tension nous indique la différence entre la réactivité des deux métaux. Grâce à cette différence, nous pouvons déterminer la facilité avec laquelle le métal libère des électrons. Nous pouvons également constater que les deux électrodes sont immergées dans une solution, qui est généralement une solution saline et contient des électrolytes.
L'électrode est un type de conducteur qui peut former un contact électrique dans un circuit. L'électrode où se produit l'oxydation s'appelle l'anode, électrode où a lieu la réduction s'appelle la cathode.
Qu'est-ce qu'un électrolyte ?
Les électrolytes sont importants car, sans eux, les ions ne peuvent pas se déplacer et ne peuvent donc pas conduire l'électricité. Le bromure de plomb fondu en est un exemple : lorsqu'il est traversé par l'électricité, il se décompose pour former du plomb et du bromure.
L'électrolyte est un composé ionique dissous ou fondu dans l'eau qui conduit l'électricité.
Maintenant que nous savons ce dont cette étude a besoin, nous pouvons intervertir différents métaux à l'anode et à la cathode. Nous pouvons comparer le magnésium avec le zinc, le cuivre et le fer et utiliser un voltmètre pour déterminer la différence de réactivité en explorant la tension.
En utilisant les résultats des différentes tensions, nous pouvons maintenant :
- Enregistrer les différents résultats dans un tableau approprié ;
- Comparer les résultats et déterminer quel métal est le plus réactif ;
- Comparer ta conclusion avec la série de réactivités ;
- Réfléchir à l'expérience pour s'assurer qu'aucun autre facteur n'a pu causer de fausses lectures ou des anomalies.
Une pile et une batterie sont très différentes l'une de l'autre, même si nous utilisons souvent les deux termes de manière interchangeable. Une batterie contient généralement de l'énergie électrique qui est déjà fournie par une usine ou qui peut être facilement rechargée par une prise de courant. En revanche, une pile contient des sources d'énergie chimique. Elle convertit ces sources en énergie électrique pour produire de l'électricité. Il existe donc de nombreuses différences entre la pile et la batterie en termes de fonctionnalités et de mode de fabrication. Dans ce résumé de cours, nous allons examiner la comparaison entre la pile et la batterie.
Types de piles
Il existe deux types de piles, les piles de réserve et les piles à combustible.
Piles de réserve
Les piles de réserve sont également destinées à un usage unique, tout comme les batteries primaires. Mais il y a une différence majeure. Elles ont un électrolyte isolé des électrodes ou des électrodes isolées de l'électrolyte. L'électrolyte n'est donc activé que lorsque la pile est utilisée. C'est pourquoi ces piles ne se déchargent pas d'elles-mêmes (comme le font les batteries primaires) et ont une durée de vie plus longue. Les piles de réserve les plus répandues sont les piles thermiques, les piles activées par l'électrolyte, les piles activées par l'eau et les piles activées par le gaz. Ces piles sont généralement utilisées dans des applications militaires.
Piles à combustible
Dans les piles à combustible, la matière active est introduite dans la pile depuis l'extérieur. La pile n'est opérationnelle que lorsque cette matière active lui est fournie. Les piles à combustible sont très utilisées dans les applications spatiales, ainsi que dans les véhicules électriques, les systèmes d'alimentation de secours et les systèmes d'équilibrage des charges.
Types de batteries
Il existe deux types de batteries : les batteries primaires (non rechargeables) et les batteries secondaires (rechargeables).
Batteries primaires
Il existe plusieurs types de batteries primaires. En voici quelques-uns :
- Alcalines \( (Zn/Alkaline/MnO_2) \) : Elles sont très populaires et sont connues pour leur coût modéré et leurs performances élevées. Ce sont les batteries les plus populaires, utilisées dans de nombreux appareils électroniques courants.
- Magnésium \( (Mg/MnO_2) \) : Elles ont une capacité élevée et une longue durée de conservation. Elles sont utilisées dans les radios militaires et aéronautiques.
- Mercure \( (Zn/HgO) \) : Ils ont une capacité très élevée et une longue durée de conservation comme les magnésiums. Elles sont utilisées dans les équipements médicaux tels que les appareils auditifs et les stimulateurs cardiaques, ainsi que dans les appareils photos.
- Lithium/cathode solide : elles ont une densité énergétique élevée, une performance à basse température et une longue durée de conservation. Elles remplacent les piles bouton et les piles cylindriques.
- Lithium/cathode soluble : Comme les cathodes solides, ces cathodes sont également à haute densité énergétique. Elles sont toutefois plus performantes et offrent une large gamme d'applications, avec une capacité comprise entre \( 1 \) et \( 10 \ 000 \ Ah \) .
- Lithium/électrolyte solide : Elles sont peu puissantes, mais ont une durée de vie extrêmement longue. Elles sont utilisées dans les circuits de mémoire et l'électronique médicale.
- Argent/Zinc \( (Zn/Ag_{2}O) \) : Elles ont la capacité la plus élevée et une décharge plate, et sont donc les plus coûteuses. Elles sont le plus souvent utilisées dans les appareils auditifs et la photographie.
- Zinc : elles sont peu coûteuses et existent dans une grande variété de tailles. Elles sont utilisées dans de nombreux objets quotidiens tels que les radios, les jouets et les instruments.
Batteries secondaires
Le principal avantage de ces batteries est qu'elles peuvent être rechargées et réutilisées. D'où l'autre terme : batteries rechargeables.
Elles coûtent généralement plus cher que les batteries primaires, car elles sont rechargeables et peuvent avoir une durée de vie plus longue.
Elles sont principalement utilisées pour les dispositifs de stockage d'énergie et les applications où elles sont utilisées et déchargées comme une batterie primaire.
Durée de vie des piles et des batteries
La durée de vie d'une pile ou batterie est une mesure des performances et de la longévité de celles-ci, qui peut être quantifiée de plusieurs manières : durée d'utilisation avec une charge complète, estimée par le fabricant en milliampères-heures, ou nombre de cycles de charge jusqu'à la fin de la durée de vie utile.
Les facteurs de fabrication qui affectent la durée de vie des piles et des batteries comprennent le type, le nombre et la qualité des cellules utilisées. En général, la performance et la longévité d'une pile ou batterie diminuent au fur et à mesure de sa durée de vie et en fonction du nombre de cycles de charge qu'elle a subis. Toutefois, l'utilisateur peut faire un certain nombre de choses pour prolonger la durée de vie de la pile et batterie.
Les batteries lithium-polymère et lithium-ion ont tendance à bénéficier de décharges partielles pour permettre un plus grand nombre de cycles de charge avant que les performances ne soient perdues. Les anciennes piles rechargeables, comme les piles au nickel-cadmium ou au nickel-hydrure métallique, n'ont pas de mémoire de charge qui réduit les performances lorsque la pile n'est que partiellement déchargée avant d'être rechargée.
Différence entre pile et batterie
| Pile | Batterie |
| Une pile est un dispositif à unité unique qui convertit l'énergie chimique en énergie électrique. | Une batterie est généralement constituée d'un groupe de piles. |
| Selon les types d'électrolytes utilisés, une pile est soit réservée, soit humide, soit sèche. La pile comprend également un type de sel fondu. | Une batterie est soit une batterie primaire, soit une batterie secondaire, c'est-à-dire qu'elle est rechargeable ou non. |
| Une pile est généralement légère et compacte, car elle ne comporte qu'une seule unité. | La batterie se compose normalement de plusieurs cellules, ce qui lui donne une taille plus importante et un aspect plus encombrant. |
| Une pile fournit de l'énergie pendant une période plus courte. | Une batterie peut fournir de l'énergie pendant de longues périodes. |
| Une pile est utilisée principalement pour des tâches plus légères qui nécessitent moins d'énergie. Elle est utilisée dans les horloges, les lampes, etc. | Une batterie est principalement utilisée pour les tâches lourdes. Elle est utilisée dans les automobiles, les onduleurs, etc. |
| Les piles sont généralement à un coût réduit. | Les batteries sont beaucoup plus coûteuses. |
Différence entre pile et batterie
Qu'est-ce qu'un accumulateur électrique ?
Un accumulateur électrique est un dispositif fonctionnellement rechargeable utilisé pour exploiter l'énergie électrique stockée sous forme d'énergie chimique. Les accumulateurs électriques sont généralement constitués d'une ou de plusieurs cellules distinctes, en fonction de la quantité d'énergie qu'ils doivent stocker et/ou distribuer.
Les accumulateurs électriques sont parfois considérés comme un type de batterie. Son unité fonctionnelle est une cellule composée d'électrodes et d'électrolytes. Les électrolytes généralement utilisés sont tous les acides, bases et sels solubles, ainsi que des gaz tels que le chlorure d'hydrogène.
Voici quelques exemples d'accumulateurs électriques :
- Accumulateurs de vapeur ;
- Les ressorts principaux ;
- Stockage d'énergie par volant d'inertie ;
- Accumulateurs hydrauliques ;
- Batteries rechargeables ;
- Alternateur pulsé compensé ;
- Centrales hydroélectriques à accumulation par pompage.
Piles et batteries - Points clés
- Les cellules électrochimiques sont capables de convertir l'énergie chimique en énergie électrique, ou vice versa.
- Une batterie est un dispositif électrochimique composé d'une ou plusieurs piles électrochimiques qui sont chargées et déchargées par un courant électrique.
- Le principe de fonctionnement des piles et des batteries est basé sur les réactions d'oxydoréduction.
- L'électrolyte est un composé ionique dissous ou fondu dans l'eau qui conduit l'électricité.
- Les piles de réserve et à combustible sont des types de piles.
- Les batteries primaires et secondaires sont des types de batteries.
- La durée de vie d'une pile ou batterie est une mesure des performances et de la longévité de celles-ci.
- Un accumulateur électrique est un dispositif rechargeable utilisé pour exploiter l'énergie électrique stockée sous forme d'énergie chimique.
Cours 
Magazine 
