Pile électrique

Une pile électrique transforme en courant continu les réactions chimiques qui se produisent sur deux électrodes, séparées par un électrolyte qui conduit les ions. La pile d'Alessandro Volta, faite de zinc, de cuivre et d'eau salée, fut la première en 1800 ; toutes les piles et batteries venues ensuite, du bocal du télégraphe à la batterie lithium du téléphone, reposent sur le même principe.

Ce que c’est

Une pile emmagasine de l’énergie sous forme chimique et la restitue en courant électrique dès qu’un circuit comportant une lampe ou un autre récepteur relie ses deux bornes. L’unité de base s’appelle un élément. À l’époque d’Alessandro Volta, le mot « batterie » désignait plusieurs éléments réunis, comme la colonne qu’il empila en 1800 ; aujourd’hui, il s’applique aussi à un élément seul.

Avant elle, l’électricité ne venait que par brèves étincelles ; la pile donnait un courant durant des heures.

Comment ça marche

Chaque élément comporte un disque de zinc, un disque de cuivre et, entre les deux, une rondelle de carton ou de drap imbibée d’eau salée. Le zinc cède ses électrons plus facilement que le cuivre. Côté zinc, des atomes de métal passent dans la saumure sous forme d’ions et laissent leurs électrons dans le disque. Côté cuivre, une réaction reprend des électrons, en consommant l’oxygène dissous dans la saumure ou en libérant de l’hydrogène. Quand un circuit extérieur relie les deux extrémités, les électrons y circulent du zinc vers le cuivre, tandis que les ions traversent la couche humide et ferment le circuit.

Dans la pile Daniell, du cuivre se dépose sur la paroi au lieu de l’hydrogène, et la tension reste stable.

Un couple zinc-cuivre dans la saumure fournit un peu moins d’un volt. Vingt couples en série additionnent leurs tensions, assez pour picoter des doigts mouillés : c’est ainsi que Volta éprouvait ses piles. L’intensité dépend de la surface des disques et de la vitesse de la réaction.

À mesure que la pile travaille, l’oxygène dissous près du cuivre s’épuise et des bulles d’hydrogène commencent à le recouvrir : le courant baisse. Le poids de la colonne chasse aussi la saumure des couches du bas, et le zinc se ronge. En 1836, John Frederic Daniell donna à chaque métal son propre liquide : le zinc dans une solution, le cuivre dans du sulfate de cuivre, avec une cloison poreuse entre les deux. Le cuivre se dépose à la place de l’hydrogène, et l’élément tient environ 1,1 volt pendant longtemps.

Dans un accumulateur, un courant inverse fait repartir la réaction à rebours.

Comment la construire

Une petite pile donne peu de tension et de courant, mais montre bien le principe.

Il faut quinze à vingt disques de cuivre (de vieilles pièces conviennent), autant de disques de zinc (tôle de zinc ou rondelles galvanisées), du papier buvard ou du carton découpé un peu plus petit, du sel, de l’eau, deux fils isolés et, si possible, un voltmètre.

Nettoyer le métal. Frotter chaque disque de cuivre au papier de verre fin jusqu’à ce qu’il brille.

Imbiber les intercalaires. Dissoudre deux bonnes cuillerées de sel dans un verre d’eau et y tremper le carton. Presser chaque rondelle pour qu’elle reste humide sans goutter : la saumure qui coule le long de la colonne court-circuite les éléments.

Empiler toujours dans le même ordre. Cuivre, intercalaire humide, zinc, puis recommencer dans le même ordre jusqu’en haut. Ne jamais inverser l’ordre en cours de route ni laisser les deux métaux d’un même élément se toucher au bord de l’intercalaire.

Tenir la colonne. Trois tiges de bois ou de verre plantées dans un socle la maintiennent droite sans l’écraser.

Brancher et mesurer. Fixer un fil au cuivre du bas, l’autre au zinc du haut. On obtient un peu moins d’un volt par élément. Une LED rouge demande environ deux volts et très peu de courant : relier sa patte longue au côté cuivre et sa patte courte au côté zinc, et ne l’essayer que sur quatre ou cinq éléments, où elle devrait luire faiblement. Branchée à l’envers sur davantage d’éléments, une LED peut être endommagée. Quand les intercalaires sèchent, après quelques heures, démonter la pile, laver et sécher les disques.

Sécurité. La pile elle-même est à basse tension, mais un court-circuit sur une batterie puissante chauffe les fils au point de brûler la peau et de faire fondre l’isolant : ne jamais relier directement les bornes. Ne jamais brancher une pile ou une batterie sur le secteur, ni tenter de la recharger sur une prise murale. Ne pas ouvrir les batteries du commerce : les batteries au plomb contiennent de l’acide sulfurique, qui brûle la peau et les yeux, et dégagent de l’hydrogène explosif en charge ; les éléments au lithium peuvent prendre feu s’ils sont percés, écrasés ou court-circuités. Le sulfate de cuivre et les sels de zinc sont toxiques : porter gants et lunettes, se laver les mains, garder le matériel hors de portée des enfants.

Histoire et évolutions

Les pattes de grenouille de Galvani se contractaient dès qu’un arc de deux métaux reliait nerf et muscle.

Dans les années 1780, l’anatomiste bolonais Luigi Galvani vit des pattes de grenouille disséquées se contracter au contact simultané de deux métaux différents. En 1791, il publia sa théorie de « l’électricité animale ». Alessandro Volta, professeur de physique à Pavie, pensait que les métaux produisaient l’électricité et que la grenouille la détectait seulement ; il voulut le prouver sans animal.

Il relia d’abord des coupes d’eau salée par des lames de métal, puis construisit la pile, plus compacte. Le 20 mars 1800, il décrivit les deux dispositifs dans une lettre en français à Sir Joseph Banks, président de la Royal Society de Londres. La Société la publia la même année, avec une gravure de la pile : la première image imprimée d’une batterie.

En quelques semaines, William Nicholson et Anthony Carlisle décomposèrent l’eau en hydrogène et oxygène avec une pile. Peu après, Humphry Davy isola le sodium et le potassium grâce à de grandes batteries. Napoléon assista à une démonstration de Volta à Paris en 1801 et le récompensa ; l’unité de tension électrique, le volt, porte son nom.

La spirale de plomb de Planté, plongée dans l’acide dilué, pouvait être chargée et déchargée encore et encore.

Les lignes télégraphiques, qui avaient besoin d’un courant régulier, adoptèrent la pile Daniell. En 1859, Gaston Planté enroula deux feuilles de plomb en spirale, séparées par un intercalaire, et les plongea dans de l’acide sulfurique dilué. Johann Ritter avait présenté une pile d’accumulation expérimentale en 1803, mais celle de Planté fut la première batterie rechargeable vraiment utilisable. Perfectionné par Camille Faure en 1881, l’accumulateur au plomb fait encore démarrer la plupart des voitures.

En 1866, Georges Leclanché assembla un élément à barreau de zinc, barreau de carbone entouré de dioxyde de manganèse et solution de chlorure d’ammonium ; en 1868, vingt mille de ces piles servaient déjà sur les réseaux télégraphiques. On épaissit ensuite le liquide en pâte : cette « pile sèche » alimenta les premières lampes de poche et les postes de radio des années 1920. Les premières piles alcalines cylindriques commercialisées suivirent en 1959, et les batteries lithium-ion arrivèrent au début des années 1990.