fonctionnement d'une pile
Chimie / Physique

Tout pour comprendre facilement le fonctionnement d’une pile

Il y a quelques temps, on me demandait quel était le fonctionnement d’une pile! J’ai trouvé la question très intéressante, surtout en cette période festive! Noël est passé par là et il a apporté son lot d’appareils électriques qu’il va falloir alimenter ! De plus en plus d’appareils fonctionnent grâce à des piles, de la montre au jouet en passant par les lampes torches ou les outils de bricolages, difficile de passer à côté de ce petit dispositif !

Mais au fait, comment fonctionne une pile ? C’est ce que je te propose de découvrir aujourd’hui !

Quelques rappel sur l’électricité!

Avant de plonger dans le fonctionnement d’une pile, il est important de rappeler quelques bases essentielles à la bonne compréhension de cet article !

Tous les appareils dits « électriques » fonctionnent grâce à …de l’électricité ! Celle-ci est le témoin du déplacement d’électrons dans un environnement précis (celui du circuit électrique). Les électrons sont un des composants des atomes, ces fameuses particules qui constituent tout ce qui nous entoure. Si cela est vraiment trop obscures pour toi, je te conseille d’aller faire un petit tour sur l’article « Pars à la découverte de l’électricité ».

Les appareils électriques fonctionnent grâce à l’électricité

Tout cela fonctionne à merveille lorsque l’appareil électrique est branché à une prise électrique lui assurant ainsi une arrivée d’électricité ! Mais comment faire pour continuer à avoir cette précieuse énergie lorsque l’appareil n’est pas branché ? Et bien c’est le rôle de la pile, elle nous permet d’avoir de l’électricité, alors que nous sommes en pleine cambrousse !

Maintenant que ces bases sont posées, intéressons-nous au fonctionnement d’une pile. Quand tu auras bien tout compris, il sera temps d’aller faire quelques petites expériences électrique sympathiques par !

Les composants d’une pile

A quoi ressemble une pile ? Observons-la de plus près !

fonctionnement d'une pile
Quels sont les principaux composants d’une pile?

Pour commencer, nous avons un boitier. Celui-ci est en généralement en acier. On l’appelle « la gaine » dans le monde de la pile. Maintenant, ouvrons cette gaine (ATTENTION, ceci n’est que pure fiction, il est formellement interdit d’ouvrir la gaine d’une pile dans la vraie vie ! J’y reviendrai plus tard !)

Le long de la paroi de ce boitier, nous trouvons de la poudre finement broyée. Il s’agit là de la cathode. Oulà ! Voilà un mot bien barbare ! Ne prends pas peur ! Je finis ma description et j’y reviens ensuite !

Puis, à l’intérieur de cette cathode, nous trouvons un séparateur (qui, comme son nom l’indique, permet de séparer ! Si, si, je t’assure) puis l’anode et l’électrolyte.

Ouch ! Encore deux mots incompréhensibles ! Ne panique pas, ce sont les derniers !

Pour finir, au cœur de la pile, nous trouvons un collecteur qui permet de…collecter ! Bravo ! Tu as su deviner sa fonction ! Et il collecte quoi ? L’électricité, bien sûr !

La gaine, le séparateur et le collecteur sont présents de manières plus ou moins semblables dans les différents types de piles qui existent mais ce n’est pas grâce à eux que la fée électricité est produite par la pile !

Non, les stars des piles sont l’anode, la cathode et l’électrolyte ! C’est donc à eux que nous allons nous intéresser maintenant.

Le fonctionnement d’une pile

Commençons par comprendre ce que sont l’anode et la cathode.

fonctionnement d'une pile
Quel est le fonctionnement d’une pile?

Le rôle de l’anode et de la cathode dans le fonctionnement d’une pile

Toutes deux sont faites en métal. Certains métaux ont tendance à facilement donner un de leurs électrons quand d’autres gardent jalousement leur équipement.

Le métal présent à l’anode a tendance à vouloir offrir ses électrons (on parle alors d’oxydation du métal). L’anode est généralement associée au pôle négatif d’une pile.

La cathode, quant à elle, contient un métal qui monte une collection d’électrons et malheur à celui qui voudrait lui en dérober un (il s’agit d’une réaction de réduction) ! La cathode est généralement associée au pôle positif d’une pile.

Une oxydation d’un côté, une réduction de l’autre…on dit que la pile abrite une réaction d’oxydo-réduction.

Tout commence quand on appuie sur le bouton « on » de notre appareil électrique. A ce moment-là, on ferme le circuit électrique qui contient la pile et tout se met en branle !

Le métal présent à l’anode libère un électron qui n’a qu’une idée en tête : retrouver le métal de la cathode qui l’appelle inlassablement. Pour cela, il suffit de suivre le chemin : un fil électrique qui relie l’anode à la cathode en passant par le cœur de ton jouet, ou l’ampoule de ta lampe ! Un déplacement d’électrons dans un fil électrique c’est…de l’électricité ! Et oui ! Voilà ! La pile a produit de l’électricité !

La pile contient donc une énergie chimique (un atome qui a envie de se libérer d’un électron) en énergie électrique (le mouvement d’électrons). La réaction chimique qui a lieu entre les 2 métaux est quelque chose qui a lieu de manière spontanée, dans la nature. Mais l’être humain a réussi à profiter de cette réaction pour produire de l’électricité !

Et l’électrolyte dans tout ça ?

Bon, très bien : un métal qui offre des électrons, un autre qui les récupère et des électrons qui se déplacent, créant ainsi un courant électrique. Le fonctionnement d’une pile est simple!

Mais il y a un problème à cette belle mécanique ! Les électrons vivent en couple ! Eux, et leur belle négativité ne peuvent se passer très longtemps de leur partenaire positif appelé ion.

L’électrolyte présent entre l’anode et la cathode est liquide. Or, les électrons sont bien incapables de nager. C’est pour cela qu’ils empruntent le chemin du circuit électrique pour aller retrouver la cathode qui les attire tant. Mais ils se déplacent uniquement s’ils sont certains de pouvoir retrouver leur partenaire de l’autre côté.

Cependant, les ions ne peuvent pas les suivre dans ce circuit électrique. Le rôle de l’électrolyte, aussi appelé pont salin, est donc de laisser passer les ions pour qu’ils puissent retrouver les électrons de l’autre côté, au niveau de la cathode.

Les différentes piles

Je suis restée volontairement vague sur les matériaux que l’on peut trouver à l’anode et à la cathode ! En effet, il y a pléthore de possibilités[1] et on risque vite d’entrer dans des considérations très techniques!

Si je veux te donner un petit aperçu, je dirais simplement que les piles les plus courantes sont les piles alcalines et les piles salines. Elles contiennent du zinc et du dioxyde de manganèse (pour les piles alcalines) ou du carbone (pour les piles salines).

Il existe aussi des piles au lithium, au nickel-cadmium, ou nickel-métal hydrure ou encore au zinc-oxyde d’argent.

Le choix des matériaux va dépendre de l’utilisation que l’on fait de la pile. Par exemple, les piles salines sont parfaites pour des applications qui demandent peu d’énergie. Les piles alcalines, quant à elles, peuvent être utilisées pour diverses applications mais elles ont l’avantage de se décharger moins rapidement si elles ne sont pas utilisées pendant longtemps. Les piles au lithium ont l’inconvénient d’être plus chères mais elles sont plus légères et ont une durée de vie plus élevées que les piles alcalines…

Bref, tu peux simplement retenir qu’il existe différents types de piles dont le fonctionnement reste identique mais qui ont des applications différentes!

Les piles nécessaires à un robot ne sont pas les mêmes que celles d’une montre

Petite remarque pour clôturer les différentes piles : les piles boutons, les piles cylindriques…ce n’est que la forme qui change ! Cela ne détermine absolument pas les métaux que l’on va trouver à l’intérieur ! 

C’est à cause de la présence de tous ces matériaux qui sont loin d’être inoffensifs qu’il ne faut jamais ouvrir une pile ! En plus du risque de te prendre de l’électricité, il y a aussi un risque chimique important. Donc ne t’amuse surtout pas à explorer l’intérieur d’une pile, même si elle est déchargée !
     

Pile / batterie / pile rechargeable, quelle différence?

Je viens de t’expliquer en long et en large le fonctionnement d’une pile. Sache qu’il se passe grosso modo la même chose dans une batterie. La principale différence est que, grâce à un courant électrique, il est possible de ramener tous les électrons (et leur partenaires ions) au point de départ pour qu’ils soient opérationnels pour un nouveau tour de piste. C’est ainsi que l’on recharge une batterie !

Les piles, elles, sont à usages uniques ! Sauf quand il s’agit de piles rechargeables ! Mais alors, quelle est la différence entre pile rechargeable et batterie ? Et bien la différence est ténue mais, on peut dire que la batterie se trouve dans l’objet électrique que tu achètes et que la pile rechargeable s’achète de manière indépendante de son application.

Petit précision au passage : il est très dangereux de tenter de recharger une pile non-rechargeable ! Vérifie bien les caractéristiques de ta pile avant de la mettre à charger !

Certaines piles sont rechargeables

L’histoire d’une pile

C’est le 17 mars 1800 qu’Alessandro Volta, scientifique italien, invente la première pile électrique[2]. Celle-ci était constituée de rondelles de deux métaux différents qui étaient séparés par des disques de feutrine. C’est à cette première pile que cet équipement doit son nom de « pile », d’ailleurs, la forme elle-même a été conservée dans bien des modèles !

La difficulté avec ce premier modèle de pile est qu’il engendre la production d’éléments chimiques qui viennent saboter le bon fonctionnement de la pile.

Alessandro Volta fut le premier à mettre au point une pile

C’est Antoine Becquerel, scientifique français, qui améliore les piles en mettant en place un séparateur entre l’anode et la cathode pour éviter que les perturbateurs produits ne viennent bloquer le fonctionnement de la pile. C’était en 1829.

Il fallut attendre 1959 pour que la première pile alcaline grand public telle que nous la connaissons aujourd’hui soit mise au point.

Et l’écologie dans tout ça?

Comme tu as pu le comprendre, les piles contiennent plusieurs éléments chimiques. Ceux-ci sont toxiques non seulement pour l’Homme mais également pour notre planète. C’est pourquoi il est interdit de jeter les piles dans une poubelle classique. Il existe de nombreux points de collecte (dans les supermarchés par exemple ou en déchèteries).

Les piles ainsi récoltées pourront être recyclées, comme tu peux le voir ici. Certains matériaux pourront permettre de fabriquer des aciers inoxydables, d’autres se retrouveront dans des toitures ou des gouttières, d’autres encore commenceront une nouvelle vie de batterie[3].

Les piles doivent être recyclées en fin de vie.

Il est essentiel de recycler les piles, mais avant de jeter celles-ci, vérifient qu’elles soient bien complètement vides. En effet, en moyenne, les piles contiennent encore un tiers d’énergie lorsqu’elles sont jetées. Alors si ta pile n’est plus assez puissante pour faire avancer ton robot, installe-la dans une horloge ou un réveil. Je parie que l’énergie restante sera suffisante pour faire tourner les aiguilles !

Bien évidemment, cette consigne est valable uniquement si la pile est en bon état. Si tu vois qu’elle commence à se détériorer (substance blanche ou poudre qui sort de la pile), alors n’hésite plus : il est temps de la jeter !

Dernière astuce pour augmenter la durée de vie de tes piles : lorsqu’il y a plusieurs piles dans un appareil, n’oublie pas de changer toutes les piles en même temps ! Cela permet de prolonger la vie de tes nouvelles piles et aussi celle de ton appareil !

Et souviens-toi que le meilleur moyen d’éviter la pollution due aux piles est tout simplement de ne pas en utiliser !!

Es-tu un/e inconditionnel/le des piles ou préfères-tu t’en passer?

Bibliographie

  • [1]         P. Hautier et J. Koplowicz, « Les piles ». 2016. [En ligne]. Disponible sur: http://www.techno.ac-aix-marseille.fr/_ancien2/RESSOURCE/energie/Les_piles.pdf
  • [2]         A. Volta et J. Banks, « I. On the electricity excited by the mere contact of conducting substances of different kinds », Philos. Mag., vol. 7, no 28, p. 289‑311, sept. 1800, doi: 10.1080/14786440008562590.
  • [3]         Corepile, « Rapport RSE Corepile 2022 ». 2022. [En ligne]. Disponible sur: https://www.corepile.fr/assets/uploads/sites/1/RAPPORT-_RSE_COREPILE_2022_WEB.pdf
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Commentaires

02/01/2023 à 8h43

waouh super intéressant. bon, pour la partie technique, je devrai sûrement retourner lire ton article… mais pour les astuces je suis contente de le savoir ! On utilise dans l’ensemble peu de piles chez nous… pour le portail électrique du poulailler et une horloge.



    02/01/2023 à 22h29

    Bravo pour utiliser aussi peu de piles! J’avoue qu’on en a pas mal! Nos montres, les télécommandes pour le portail, les alarmes, les réveils, les téléphones fixes, certaines de nos lampes de poches…et tous les jouets bien sûr! J’essaye de réduire petit à petit, mais ce n’est pas simple!



02/01/2023 à 13h38

Bonjour, de formation scientifique, j’aime beaucoup cette approche simple et claire pour les enfants !



02/01/2023 à 20h38

Il y a ici toujours des découvertes et explications top.
Faudra quand même que je relise l’article, pour tout bien comprendre, car des que ça touche à l’électricité, les ondes, le téléphone mon cerveau fait toujours quelque blocage.



    02/01/2023 à 22h31

    Oui, c’est aussi un domaine dans lequel je suis vite perdue, je me suis d’ailleurs permise de faire relire mon article à un expert parce que, moi aussi, les électrons et les ondes sont un peu mes bêtes noires! C’est d’ailleurs ce qui ajoute un peu de piment à l’écriture de ces articles : arriver à dompter la bête!



Jessica
05/01/2023 à 9h26

En fait c’est marrant, nous utilisons des piles tous les jours, sans comprendre comment elles fonctionnent 🙂 Grâce à cet article, j’irais me coucher moins bête ce soir 😃
si j’ai bien compris, ce sont les électrons qui veulent retrouver leur partenaire qui font que le tout fonctionne – on peut donc dire qu’une fois de plus, le plus important, c’est l’amour 🤪



05/01/2023 à 21h26

J’adore la façon dont tu expliques et décortiques le fonctionnement pour le rendre accessible à tous ! Ça paraît tellement plus simple quand c’est bien expliqué 🙂 Eh oui j’utilise des piles, mais je favorise les piles rechargeables 🙂



Fanta
07/01/2023 à 15h03

Super intéressant, j’apprends toujours un tas de choses grâce à toi. Et surtout c’est très bien expliqué 🙂



14/01/2023 à 22h45

Merci, super article, que j’ajoute dans mes favoris pour le relire encore!
ça complète mes connaissances sur l’électricité. jusqu’à présent ma conception de la pile n’était pas aussi technique que ça, mais résumé à une différence de potentiel entre le coté + et le coté -, le négatif repousse les électrons chargé négativement et le positif attire les électrons, et quand un matériau isolant est placé entre les bornes + et -, les charges se mettent à s’écouler du – vers le plus, donnant naissance au courant électrique.



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