Les Piles électriques : Influences De La Température Sur Les Caractéristiques

Avancées scientifiques et réalisations techniques :

Les piles électriques

Quelle est l’influence de la température sur les performances d’une pile ?

Sommaire :

Introduction p3

Notions importantes p4

Composition et fonctionnement chimique d’une pile p4

Grandeurs physiques caractérisant une pile et un

circuit électrique p6

Mise en évidence des effets de la température p8

Effets de la température sur une pile

hors fonctionnement p8

Effets de la température sur une pile

en fonctionnement p9

Analyse et interprétation des résultats p13

Variation de la résistance interne p13

Explication électrocinétique et électrochimique p15

Conclusion p18

Remerciements p19

Bibliographie p20

Introduction :

Une pile est un générateur de courant continu fonctionnant grâce à des réactions chimiques.

Ce terme a été inventé par Alessandro Volta le 17 mars 1800 pour désigner un empilement de rondelles de deux métaux différents séparées par des disques de feutres imbibées d’acide. Par la suite, avec les années, de nouvelles piles ont été inventées, fonctionnant toutes sur le même concept pour arriver à la première pile alcaline créée en 1959. Enfin la pile au lithium est inventée et commercialisé en 1977. Aujourd’hui on peut classer les piles en quatre technologies différentes : alcaline, saline, au lithium et à l’oxyde d’argent, toutes plus ou moins utilisées et puissantes. Au quotidien, les piles majoritairement utilisées sont les piles alcalines, plus rentables que les salines, et moins chères que celles au lithium.

Existe-t-il une température d’utilisation d’une pile préférable à d’autres ?

Dans ce dossier, nous tenterons de répondre à cette question en observant et en expliquant les effets de la température sur les performances d’une pile.

Pour des raisons pratiques, les exemples de ce dossier seront basés sur des piles alcalines, cependant, ces derniers seront généralisables.

Notions importantes

Afin de comprendre la suite du dossier, il est important de saisir certaines notions chimiques et électriques. Aussi, cette partie présentera ces notions essentielles.

Composition et fonctionnement chimique d’une pile

Composition

D’une manière générale, une pile est constituée de deux électrodes, une positive (la cathode) et une négative (l’anode). Chaque électrode est constituée d’une partie métallique solide, dont le rôle est de conduire les électrons, en contact avec une solution électrolytique (solution électriquement neutre mais conductrice car contenant des ions). L’anode et la cathode sont reliées par une jonction électrochimique permettant une liaison électrique entre les électrodes tout en évitant qu’elles se mélangent.

Dans une pile alcaline, l’anode est constituée de zinc en poudre (Zn) en contact avec l’électrolyte : une paroi plastique imbibée d’hydroxyde de potassium (KOH) ; dans cette anode est placé un clou en acier, dont le rôle est d’être branché à un circuit en tant que pôle négatif.

La cathode, elle, est constituée de poudre de dioxyde de manganèse (MnO2) en contact avec l’électrolyte qui est là encore la paroi imbibée d’hydroxyde de potassium ; la cathode est recouverte d’une couche d’acier, qui sera branchée en tant que pôle positif.

Dans les piles alcalines, la paroi imbibée d’hydroxyde de potassium joue donc à la fois le rôle d’électrolyte pour les deux électrodes, mais aussi celui de jonction électrochimique. De plus, l’hydroxyde de potassium est un composé chimique fortement basique (alcalin), d’où le nom de pile alcaline.

Fonctionnement

Le système chimique d’une pile est un système instable. Quand on relie l’anode et la cathode par un conducteur électrique (on a donc un circuit électrique fermé), une réaction chimique d’oxydoréduction se produit entre les composants, c’est-à-dire une réaction chimique au cours de laquelle sont échangés des électrons, afin d’atteindre un point d’équilibre. Cette réaction peut être décomposée en :

- une réaction d’oxydation dans l’anode, qui cède alors des électrons. Le zinc se décompose en ions zinc Zn2+ et en électrons e-. Cependant, puisque cette réaction se produit en milieu basique, les ions zinc réagissent eux même avec les ions hydroxydes (OH-) provenant de l’électrolyte. L’équation finale est donc : Zn + 4OH- [Zn(OH)4]2- + 2e-.

- une réaction de réduction dans la cathode, qui reçoit alors des électrons. Le dioxyde de manganèse réagit avec des ions hydrogènes (H+) et les deux électrons délivrés par le zinc pour former du MnO2H. Cependant, cette réaction a lieu en milieu basique, aussi, il faut rajouter des ions hydroxydes. On a donc :

2MnO2 + 2H+ + 2HO- + 2e- 2MnO2H + 2HO-

Pour être échangés entre la cathode et l’anode, les électrons doivent circuler dans un conducteur (autre que la jonction électrochimique). Cette circulation est le courant généré par la pile.

Une pile cesse de fonctionner lorsque :

Un des réactifs, le zinc ou le dioxyde de manganèse, est entièrement consommé.

Le point d’équilibre entre l’anode et la cathode est atteint.

Grandeurs physiques

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