Comment recharge-t-on une pile ?

Comment fonctionne une pile ?

Le rôle des électrons

L'électricité, ce sont des particules électriques chargées négativement, appelée électrons, qui se déplacent dans le circuit électrique. Pour produire de l'électricité, il faut donc produire des électrons. Dans une pile, c'est une réaction chimique qui produit ces électrons. Beaucoup de réactions chimiques libèrent des électrons. Il suffit de plonger certains métaux comme le zinc, le fer, le cadmium ou le plomb dans l'acide pour qu'ils libèrent des électrons. Il est très facile d'obtenir une telle réaction chimique : si on prend un trombone, fait d'acier et recouvert de zinc, et qu'on le plante dans un citron, le zinc s'oxyde au contact de l'acide citrique, en libérant des électrons.

Comment récupérer des électrons pour allumer une ampoule ?

Les atomes métalliques ont libéré des électrons et deviennent donc chargés électriquement. Les atomes se sont transformés en ions. Dans notre pile, on a, d'une part, des électrons chargés négativement et, d'autre part, des atomes chargés positivement. Nos électrons ne sont plus rattachés à un atome et vont se chercher un nouveau domicile chez un autre atome. Dans notre pile, se produit une autre réaction chimique qui, cette fois, va absorber les électrons. Dans un citron, cette réaction transforme les ions d'hydrogène de l'acide citrique en gaz d'hydrogène.

Les deux réactions chimiques, celle qui produit les électrons et celle qui les absorbe, sont indissociables. Les électrons ne peuvent être libérés que s'ils sont immédiatement réabsorbés.

Tout l'art de faire une pile consiste donc à faire en sorte que les électrons, entre les deux réactions, empruntent les circuits électriques qu'on veut alimenter plutôt que de rejoindre directement l'ion positif qui sera leur nouveau domicile.

Dans notre citron, il suffit de relier le morceau de zinc à une ampoule à l'aide d'un fil de cuivre, puis de relier l'autre électrode de l'ampoule au citron à l'aide d'un autre fil de cuivre. L'ampoule s'allume car les électrons passent par le circuit avant de se recombiner avec les ions d'hydrogène. Mais elle ne va pas rester allumée indéfiniment. Car les réactions chimiques épuisent les produits chimiques présents dans le citron. Quand il n'y aura plus de zinc et d'hydrogène, les réactions chimiques s'arrêteront, et il n'y aura plus de courant dans notre circuit. C'est aussi ce qui se passe dans une pile alcaline traditionnelle où l'échange d'électrons se fait non pas entre le zinc et de l'hydrogène, mais entre le zinc et l'oxyde de manganèse.

Recharger une pile avec l'inversion des réactions chimiques

Les réactions chimiques intervenant dans la pile sont partiellement réversibles. Si l'on fournit de l'électricité, la réaction chimique s'inverse. Dans notre citron, l'hydrogène s'ionise, et les ions de zinc se retransforment en métal. Mais ce n'est pas si simple. Dans le citron, l'hydrogène, qui est un gaz, s'est répandu dans l'atmosphère. Pour notre pile au citron, c'est fichu. Quand la pile est déchargée, il faut changer de citron. Pour obtenir une pile rechargeable, il faut trouver un couple de réactions chimiques que l'on peut inverser. C'est le cas pour les piles rechargeables NIMH où l'hydrure métallique (le MH) se transforme dans le métal correspondant en libérant des électrons tandis que l'oxyhydroxyde de nickel (le NI) se transforme en hydroxyde de nickel en capturant les électrons. Cette réaction est réversible. En fournissant des électrons, c'est-à-dire de l'électricité, les produits chimiques initiaux se reforment et la batterie peut à nouveau produire de l'électricité.