Piles et accumulateurs.

         Je vous ai expliqué hier comment fonctionne une pile, aujourd'hui je vais essayer de définir les divers types de piles et accumulateurs.

         J'ai trouvé quelques chiffres de consommation : 1,6 milliards de piles et batteries ont été vendues en 2022 en France, soit environ 35 000 tonnes, et chaque français utilise en moyenne 23 piles et/ou petites batteries par an. Toutefois les piles portables ne constituent que 15% de cette masse, et 85% la masse des batteries pour véhicules,  Par contre la majeure partie en nombre est constituée par les petites piles portables dont je vais parler.
         En 2012, le nombre de piles et batteries consommées n'était que d'environ 1,25 milliards.
         Malgré les collectes de piles usagées dans les magasins, on ne recycle actuellement qu'à peine 50 % des piles usagées.

        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.
         On désigne sous le nom de "piles rechargeables", de petits accumulateurs rechargeables de même dimension que les piles.  Le terme "batterie" désigne une association en série d'accumulateurs, en général de plus grande dimensions, comme par exemple les batteries de véhicules. Une certaine confusion existe en raison du terme anglais "battery" qui englobe à la fois les piles et les accumulateurs.

          Les renseignements ci-après sur les catégories de piles sont principalement tirés d'un article de la revue "Connaissance des Energies", que j'ai complétés avec des explications.

Différents types de piles électriques

Piles salines d'autrefois :          

         Avant les piles alcaline existait la pile dite « Leclanché » ou pile saline, qui est la première pile courante à être fabriquée en série  à partir de 1872.
Elle est composée d’un couple zinc, chlorure de zinc (-0,76 volts) et d’un couple dioxyde de manganèse (MnO2), chlorure d’annonium (cl- NH4+  1,23V ) : potentiel de 1,99 V.
        L’électrojyte est acide (ph4) d’où le nom de pile saline.

          Elles sont couramment utilisées pour les appareils du quotidien tels que les télécommandes, les jouets et les lampes de poche. Durables et économiques, elles doivent être remplacées une fois déchargées.
         Sur des appareils très consommateurs, comme des appareils photo ou des télécommandes de jeu, sa durée de vie peutn' être que de quelques heures seulement. Sur des appareils faibles consommateurs, comme des horloges ou des télécommandes infra-rouge, elle peut être de deux à trois ans.
        Dans une pile alcaline l'électrolyte est alcalin (en général de l’hydroxyde de potassium); qui réagit par un couple HO^- / H₂O; L’anode est constituée de pouder de zinc et la cathode de dioxyde de manganèse (MnO₂). Des tiges ou plaques métalliques assurent le recueil des électrons. La cathode est périphérique alors que l’anode est une tige centrale (voir figure ci-contre).
        La tension fournie est d’environ 1,5 volts.
        Il existe aussi une pile Lithium - dioxyde de manganèse (Li-MnO2), quifournit une haute tension, (3V), une énergie élevée, une faible résistance interne, une courbe de décharge stableet une durée de vie longue.
       La construction d'une pile alcaline est très consommatrice d'énergie : il faut environ 50 fois plus d’énergie pour fabriquer une pile alcaline que ce qu’elle fournira pendant toute sa durée de vie.

      Des appareils, que l'on appelle les régénérateurs de piles alcalines, permettent de réutiliser les piles alcalines, au lieu de les jeter après un seul cycle de décharge. En effet, d'un point de vue électro-chimique, les couples redox à l'anode et à la cathode sont partiellement réversibles4. Les réactions chimiques inverses sont possibles. La chute de tension de la pile, qui se produit naturellement lors de la décharge, peut être inversée par l'injection d'un courant, qui va favoriser la réaction inverse. Ce qui explique que les piles alcalines peuvent être réutilisées une dizaine de fois avec des circuits électroniques adaptés5,6.

    Toutes les piles se déchargent lentement d'elles-mêmes, qu'elles soient connectées à un appareil ou non. Les réactions chimiques internes se modifient lorsque la pile est presque vide, et de l'hydrogène est alors produit sous forme de gaz, ce qui augmente la pression dans l'enveloppe de la pile. Cette surpression peut alors rompre les joints aux bouts de la pile ou le tube de métal. Les piles vides finissent donc souvent par fuir.

           Utilisées principalement dans les appareils à haute consommation d'énergie, comme les appareils photo, les détecteurs de fumée ou les montres, elles ont une longue durée de vie et une meilleure performance à basse température mais elles sont relativement chères.
         Le couple le plus couramment utilisé est le couple lithium-dioxyde de manganèse (Li-MnO₂), utilisé dans les piles boutons et photos largement disponibles pour le grand public, le couple lithium-chlorure de thionyle (Li-SOCl₂) étant réservé aux usages professionnels.  On trouve également, dans la distribution pour le grand public, les formats classiques (AA, AAA) avec une technologie lithium-disulfure de fer (Li-FeS₂).
        Ces piles sont de plus en plus remplacées par les accumulateurs lithium-ion.

           Elles conviennent pour les appareils nécessitant des cycles de recharge fréquents, comme les appareils photo numériques, les consoles de jeu portables et les outils électriques.
          Elles sont économiques sur le long terme car elles peuvent être rechargées plusieurs centaines de fois. Mais elles ne conviennent pas à tous les usages et nécessitent des chargeurs spécifiques et ont souvent une capacité inférieure aux piles jetables pour une même taille.

           Coté anode, le composé carboné du lithium LiC6  donne du carbone et des ions lithium en libérant des électrons :  2 LiC₆ → 3 C4 + 2 Li⁺ + 2 e^-
          Coté cathode, les électrons sont absorbés par les  ions lithium et l'oxyde de cobalt selon la réaction :  CoO₂ + Li⁺ + e^- → LiCoO₂.  
        Dans le circuit électrique extérieur les électrons se déplacent de l’anode à la cathode, et dans l'a batterie, les ions positifs de lithium (Li+) se déplacent de l’anode négative à la cathode positive.en traversant l’électrolyte.
       Les réactions d'oxyde réduction sont réversibles. Lorsqu'on charge la batterie, le processus s’inverse : les ions de lithium se déplacent de la cathode à l’anode, tandis que les électrons se déplacent dans le circuit de charge de l’anode à la cathode.Les réactions d'oxyde réduction sont  
      Les réactions d'oxyde réduction sont inversées.

          De plus en plus utiisées, elles sont conçues pour les petits appareils électroniques comme les montres, les appareils auditifs ou les clés de voiture. Très petites et légères, elles offrent une faible puissance adaptée aux dispositifs de petite taille. Elles existent en versions alcalines, lithium ou oxyde d'argent selon les besoins de l'appareil.

          Ces piles économiques sont souvent utilisées dans les appareils à faible consommation d'énergie comme les horloges murales ou les télécommandes. Leur capacité est inférieure à celle des piles alcalines, mais elles sont également moins coûteuses.
         Mais on en trouve rarement dans les magasins grandes surfaces.

        Ce sont les petites piles spécifiquement utilisées pour les appareils auditifs et certains équipements médicaux. Elles fonctionnent en utilisant l'oxygène de l'air comme réactif, offrant ainsi une densité énergétique élevée.

Différentes tailles de piles dans le commerce

Taille standard la plus courante, utilisée dans une large gamme d'appareils tels que les télécommandes, jouets, horloges, et lampes de poche, la pile AA offre un bon équilibre entre capacité énergétique et taille compacte.

Plus petite que la pile AA, elle est souvent utilisée dans les appareils portables plus petits comme les télécommandes, les brosses à dents électriques, ou certains jouets électroniques.

Piles C (LR14)

Plus grosse que les piles AA et AAA, la pile C est couramment utilisée dans les appareils nécessitant une puissance plus importante et soutenue, comme les jouets motorisés. Elle offre une plus grande capacité énergétique liée à sa taille plus importante.

Encore plus grosse, la pile D est utilisée dans des appareils de forte consommation d'énergie comme les grandes lampes de poche, les radios, et certains équipements industriels.

Piles 9V (6LR61)

La pile 9V est rectangulaire et souvent utilisée dans les détecteurs de fumée, les radios portatives, et certains jouets. Sa forme distinctive et sa haute tension la rend adaptée à des applications spécifiques nécessitant une puissance plus élevée.

Elles existent en plusieurs tailles, avec des diamètres et des épaisseurs variables et sont utilisées dans les petits appareils comme les montres, calculatrices, appareils auditifs, et clés de voiture. Compactes, elles fournissent une petite quantité d'énergie adaptée à des dispositifs de petite taille.

Nota : les photos trouvées sur internet portaient une marque que je n'ai pu supprimer. Ce n'est pas de la pub pour autant. Les piles le plus chères ne sont pas forcément les meilleures au plan du rapport qualité-prix et notamment durée de vie.