Comment une pile fonctionne t'elle ?

29.03.2025

Ci dessous la première pile de Volta et la pile Daniell Cu - Zn.

Un jeune m'a demandé si je pouvais faire un résumé pratique sur les piles et accumulateurs que l'on utilise couramment.
J'avoue que si j'en connais quelques uns, je n'étais pas très calé sur le sujet. Alors j'ai été faire de la doc sur internet, pour ne pas en oublier. Mais je ne décrirait ces types de piles que demain. Aujourd'hui je vais essayer d'expliquer comment fonctionne une pile.

Les piles électriques ont été inventées en 1800 par Alessandro Volta. D'où le nom de piles "voltaïques". Le mot « pile » désigne aujourd'hui tout élément monobloc, qui produit de l'électricité, et dont la décharge est irréversible.

Oxydo-réduction

Pour expliquer comment fonctionne une pile, il faut faire un petit rappel de chimie du niveau première ou terminale.
Une réaction d'oxydoréduction est une réaction chimique au cours de laquelle se produit un transfert d'électrons, entre deux corps chimiques
  Le corps qui perd et émet des électrons est le réducteur : par exemple une solution de sulfate de zinc (SO₄^2- Zn⁺⁺) dans laquelle baigne une électrode de zinc métal.
La réaction potentielle est Zn métal --> Zn⁺⁺ + 2e^- et si l'on capte les électrons produits, la barre de zinc "fond" peu à peu et la solution s'enrichit en ions Zn⁺⁺. Le zinc métal est le réducteur qui cède ces électrons captés par Zn⁺⁺, l'oxydant
  Le corps qui gagne des électrons est l'oxydant : par exemple une solution de sulfate de cuivre (SO₄^2- Cu⁺⁺) dans laquelle baigne une électrode de cuivre métal.
La réaction potentielle est Cu⁺⁺+ 2e^- --> Cu métal et si l'on capte les électrons produits, la barre de cuivre "grossit" peu à peu et la solution s'appauvrit en ions Cu⁺⁺. L'ion cuivre est l'oxydant qui capte les électrons et Cu métal le réducteur
   Les réactions sont potentielles mais les électrons ne sortent pas des éléments chimiques ou n'y entrent pas spontanément. La neutralité électrique veut que les électrons émis soient capturés. Il faut donc qu'il y ait simultanément une réaction de réduction, qui émet les électrons et une réaction d'oxydation qui les capture.
Pour que la réaction se fasse il faut donc deux couples oxydant-réducteur.
Dans notre exemple, le résultat final est Cu⁺⁺ + Zn --> Zn⁺⁺ + Cu

Fonctionnement d'une pile.

Une pile contient, dans une enveloppe métallique étanche, deux demi-piles reliées par un pont salin ou une membrane poreuse imbibée d’une solution ionique électrodes.
La première demi-pile contient un oxydant et un réducteur d’un même couple.( par exemple solution de sulfate de cuivre (SO₄^2- et Cu²⁺), et une électrode en cuivre Cu métal et la deuxième demi-pile le couple oxydant réducteur associé (solution de sulfate de zinc (SO₄^2- Zn⁺⁺) dans laquelle baigne une électrode de Zinc métal)..
Les deux demi-piles sont réunies par une membrane imbibée d'un e solution ionique, ou par un "pont salin"
Un pont salin permet le transport des charges d'une demi-pile à l'autre, grâce à la migration des ions de la solution saline . Les cations du pont salin (souvent K+) migrent en sens inverse des anions (souvent NO3-) pour compenser les différences de charges des ions produits et détruits dans les réactions d'oxyde-réduxction.
Ces ions sont partiellement remplacés par ceux contenus dans les deux demi-piles.
Le pont salin/la membrane assure l’électroneutralité de la pile et permet de fermer le circuit électrique.

Dans une pile, les réactifs (oxydant d’un couple et réducteur d’un autre couple)étant séparés physiquement, les électrons échangés passent par le circuit électrique extérieur, ce qui créé un courant électrique.
Tant que le circuit extérieur n'est pas branché, la réaction d'oxydoréduction ne se fait pas . Aux bornes de la pile il y a simplement un "potentiel" : c'est la différence de potentiel exprimée en volts, (analogue à la hauteur d'une chute d'eau.)
Lorsque vous fermez le circuit électrique aux deux bornes de la pile, la réaction d'oxydo réduction se produit et un courant apparait dans le circuit, mesuré en ampères, (analogue au débit de l'eau qui alimente une chute).
A la borne négative de la pile : des électrons sont libérés dans le circuit électrique, . Dans notre exemple c'est l'électrode de métal zinc qui libère les électrons et s'amenuise peu à peu en enrichissant la solution ionique..
L’électrode négative est appelée l’anode.
A la borne positive de la pile : des électrons sont gagnés.. Dans notre exemple c'est l'électrode de métal cuivre, sur laquelle du cuivre se dépose au détriment de la solution ionique.
L’électrode positive est appelée la cathode.
Les électrons circulent à l’extérieur de la pile de la borne – (anode), de la pile vers la borne + (cathode), de la pile. Le courant électrique circule par convention dans le sens opposé des électrons : du pôle + au pôle -
Pour compenser ces déplacements de charge dans le circuit électrique extérieur, les ions chargés positivement/négativement se déplacent en solution intérieure vers la cathode/anode.

Potentiel d'oxyde-réduction et tension fournie par la pile.

Un couple oxydant réducteur est constitué, comme on vient de le voir, par l’ensemble de l'oxydant et du réducteur d’un seul et même élément. On le note en juxtaposant les abréviations de l’oxydant et du réducteur séparés par un /. Dans les exemples précédents : on notera donc les couples Cu²⁺ / Cu et Zn²⁺ / Zn.
Le problème est double ;
- d'une part lorsque l'on a deux couples oxydant réducteur, on ne sait pas à priori dans quel sens écrire la réaction finale.
- d'autre part les réactions d'oxyde-réduction sont réversibles et un couple donné, face à deux autres couples différents, peut avoir des réactions inversées
Un " réducteur " est un corps qui joue le rôle de réducteur dans de nombreuses réactions, un " oxydant " est un corps qui joue le rôle d'oxydant dans de nombreuses réactions, mais un " oxydant " peut parfois être un réducteur s'il est face à un " oxydant " plus fort et qu'il peut encore s'oxyder

Il faut donc avoir un moyen de connaître l'importance de la valeur d'un couple en tant qu'oxydant et réducteur, vis à vis d'un autre
Un couple oxydant réducteur représente un potentiel de création d'électrons.Il faudrait donc pouvoir mesurer la tension eux bornes d'une demi-pile
Pour cela on va comparer la demi-pile dont on cherche le potentiel à une demi-pile ) hydrogène Cette demi pile est constituée d'une solution acide d'eau à ph 0. On considère que les ions H⁺ sont liés à la molécule d'eau sous forme d'un ion H₃O⁺et la réaction d'oxydo réduction correspondante est ; 2H₃0⁺ + 2e -->. 2H₂o + H₂

On peut ainsi établir pour tous les couples oxydo-réducteurs une liste de potentiels par rapport à celui de l'eau; mesurés avec la demi-pile à hydrogène dont, par définition le potentiel sera zéro. (V = 0). Ces potentiels sont soit négatifs, soit positifs,de quelques volts.
Les corps dits " oxydants " sont les oxydants des couples ayant un potentiel négatif (ils absorbent des électrons, d'où une charge électrique négative) ; les corps dits " réducteurs " sont les réducteurs des couples ayant un potentiel positif (ils cèdent des électrons, d'où potentiel positif).
En utilisant la règle dite du gamma, il est possible de prévoir le sens d'une réaction. En plaçant les couples sur une échelle par potentiel décroissant, l'oxydant le plus fort (ici Cu⁺⁺) réagira avec le réducteur le moins fort (ici Zn) pour donner Zn⁺⁺et Cu.

Le potentiel de Cu++ / Cu est + 0,34 V.
Le potentiel de Zn++ / Zn est + o,75 V.
La pile composée de ces deux demi-piles donnera donc un voltage potentiel de 0,36 - (-0,75) = 1,11 Volts

Demain je parlerai des divers types de piles.

Nota : la pile Cu - Zn n'est pas une pile courante. C'est l'une des inventions passées après la pile Volta, mais c'est un cas simple pour démontrer leur mode de fonctionnement.