| Les premières piles utilisées à titre expérimental,
étaient dérivées de la pile de Volta.
L'image ci-contre qui date des années 1870, montre une batterie de piles élémentaires composées d'électrodes cuivre/zinc dans une solution d'eau acidulée. Le courant est extrait à l'aide de 2 fils de cuivre appelés à l'époque "rhéophores" mot tiré du grec et qui signifie "porte-courant". Ce terme a aujourd'hui complètement disparu de notre vocabulaire. |
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Différentes améliorations ont été apportées à la pile de Volta. Le nombre des inventions étant très grand, seules quelques solutions parmi les plus représentatives sont décrites ici :
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Dans la pile à auge due à CRUIKSHANK, les lames de zinc et de cuivre sont
disposées verticalement dans un bac à parois isolantes rempli d'eau
acidulée (on disait au XIXième siècle de l'eau "aiguisée" d'acide
sulfurique).
Une telle pile constituée de 200 auges et de 2 000 couples avait été acquise vers 1810 par l'institut Royal de Londres à la suite d'une souscription . |
C'est grâce à cette pile que DAVY et FARADAY purent réaliser leurs expériences en électrochimie.
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Dans la pile en Hélice imaginée par le chimiste américain
Robert HARE* (1781-1858), les lames de cuivre
et de zinc, séparée par des lanières de drap, sont enroulées et
placées dans un récipient plein d'eau acidulée.
* Robert HARE est aussi l'inventeur du chalumeau oxhydrique en 1802 et a été un des premiers à utiliser les mesures électriques en analyse chimique (électrode de Hg). |
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Afin de retarder la polarisation de la pile voltaïque, la
chimiste anglais William Hyde WOLLASTON
(1766-1828) proposa une solution dans laquelle l'électrode de
cuivre entoure l'électrode de zinc.
De cette façon, la surface de l'électrode est doublée et le fonctionnement de la pile est prolongé. Plusieurs éléments sont montés en série pour obtenir la tension désirée. |
D'autres solutions ont été proposées telle la pile de MÜNCH qui est une variante de la pile de Wollaston dans laquelle les lames de cuivre sont pliées en U dans le sens vertical et viennent s'intercaler entre les lames de zinc.
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Mais la pile de Volta et ses dérivées présentent toutes l'inconvénient de se polariser rapidement et de s'arrêter de fonctionner. D'autres types de piles ont été inventées qui peuvent se classer en deux familles principales :
Les piles industrielles font presque toutes partie de cette deuxième famille.
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Pile au bichromate de potassium
Les piles au bichromate constituent une première grande famille de piles.
L'ancêtre de ces piles était la pile au bichromate à 2 liquides de FULLER
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Pile bouteille ou de GRENET La pile au Bichromate développée par POGGENDORFF (1842) ou sa variante dite pile de GRENET est composée d'un seul électrolyte. l'électrode en zinc amalgamé est mobile et est introduite dans l'electrolyte au moment de l'emploi. Elle est ensuite relevée à la main pour éviter une corrosion du zinc. Le bichromate de potassium est de plus un produit fortement toxique et polluant. |
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On a construit des piles de différentes tailles. Les plus grosses ont un volume assez grand de plusieurs litres.
C'est une excellente pile de laboratoire pour sa puissance et sa tension (fem de 2 V), mais ce n'est pas une pile d'usage domestique.
| Différents modèles de pile au bichromate à un seul liquide ont été développés telle la pile "à treuil" inventée par Gustave TROUVE (1838-1902) constructeur français d'instruments scientifiques. |
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Les différents éléments sont équipés d'un système de relevage des électrodes à l'aide d'une manivelle . |
Pile RADIGUET
C'est une pile à deux électrolytes : eau acidulée et bichromate de potassium.
| Elle dispose d'un support à amalgamer qui permet de
supprimer le relevage de l'électrode en zinc.
Ce dispositif entretient la couche de mercure à la surface du zinc. De plus il permet d'utiliser des déchets de ce métal (rognures ou billes de zinc) que l'on introduit périodiquement dans la pile comme on met du charbon dans un fourneau. Une telle pile avec une fem d'environ 2,1 V est capable de débiter plus de 1 Ampère. |
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Il existe bien d'autres types de piles au bichromate à 2 liquides.
Pile GUIRAUD
C'est une pile à deux électrolytes : eau salée et bichromate de potassium.
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Cette pile comporte un vase poreux de diamètre
relativement grand qui sépare les deux électrolytes.
Le dépolarisant est à base de bichromate et est mis à l'intérieur du vase poreux. Une électrode en charbon composé d'un faisceau de lames réunies par une pièce spéciale en laiton plonge dans ce liquide. Le zinc circulaire, non amalgamé, plonge dans une solution de chlorure de sodium (sel marin) à raison de 325 g /l. Il est suspendu par des crochets. C'était une pile "sans mercure" et déjà écologique pour l'époque ... bien que le bichromate ne soit pas un produit facile à manipuler. |
Cette pile était vendue pour ses bonnes caractéristiques de stabilité dans le temps et le prix de revient du courant produit était "5 à 6 fois moins élevé que les autres types de piles" suivant des tests réalisés à l'époque.
Son inventeur avait reçu une médaille d'or au concours de Inventions de Marseille de 1909.
La force électromotrice de cet élément est de 2V.
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Les piles au sulfate de cuivre
Elles constituent une autre grande famille de piles à deux liquides : eau acidulée et solution de sulfate de Cuivre.
Parmi celles ci, on trouve la pile DANIELL (1836) qui a servi longtemps d'étalon de référence compte tenu de sa constance et de sa force électromotrice voisine de 1 Volt.
Cette pile comporte un vase poreux (en terre de pipe) qui limite le courant à quelques dixièmes d'ampère.
Dans sa variante, la pile CARRE, le vase poreux est remplacé par une membrane de parchemin ce qui permettait des débits jusqu'à 15 ampères.
Pile CALLAUD
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Comme la pile Daniell, elles contiennent deux électrolytes : une solution de sulfate de cuivre et une d'eau acidulée (H2SO4). Le vase poreux est supprimé et les 2 solutions sont séparées par simple différence de densité. Afin d'éviter un mélange des deux solutions, la pile doit rester immobile et doit débiter de façon quasi continue d'où un emploi bien adapté en téléphonie. |
Ces piles ont été utilisées par le service des téléphones et les compagnies de Chemin de Fer pendant de nombreuses décennies.
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L'image ci-contre montre une pile de MEIDINGER qui est une autre variante de pile au sulfate de cuivre. Un vase renversé, à goulot étroit, rempli de cristaux de sulfate de cuivre permet de diminuer l'entretien de ces piles. Ce type de matériel était utilisé par la compagnie P-L-M pour actionner les grosses cloches d'annonce des trains. Un entretien annuel était suffisant, alors que les piles CALLAUD devaient être démontées et nettoyées tous les 3 mois. |
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La force électromotrice de ces éléments était de 1,08V.
Diverses autres variantes de ce type de pile ont été proposés parmi lesquels les éléments de VERITE, MINOTTO, ou l'élément de ESSICK dans lequel les électrolytes sont portés à 70°C par un chauffage modéré, de façon à augmenter la puissance spécifique de la pile
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Pile à dépolarisant nitrique
| Le premier modèle de pile à dépolarisant
nitrique remonte à 1839 et est dû au physicien William Robert
GROVE (1811-1896).
Le pôle négatif de cette pile est constitué, comme pour la pile DANIELL, d'une électrode en zinc. Le pôle positif est constitué par une électrode de platine plongeant dans une solution d'acide nitrique (on disait acide azotique à l'époque).. Sa dérivée, la pile BUNSEN (1841), diffère au niveau du pôle positif qui est constitué d'un charbon de cornue Ces piles dont la force électro-motrice était relativement élevée (1,9 V contre 1,5 pour la pile Leclanché) étaient d'usage incommode du fait d'un dégagement de vapeurs nitreuses en fonctionnement. |
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Différents chercheurs étudièrent la pile "à acide azotique" parmi lesquels on peut citer Archeneau (1842), Callan (1847) , Schönbein et Hawkins, Niaudet, Tommasi et enfin d'Arsonval.
La pile de Smée.
Cette pile très simple a été peu employée dans la radio, mais était d'utilisation courante dans les petits ateliers de galvanoplastie jusque dans les années 1925/1930.
Elle se compose d'une cuve carrée en grès dans laquelle on verse un électrolyte composé d'une solution à 10% d'acide sulfurique du commerce.Dans cette solution plongent 2 plaques épaisses en zinc amalgamé et entre ces 2 plaques, une plaque d'argent platiné ou, ce qui est moins cher, une plaque de cuivre argenté puis platiné.
Le platinage généralement rugueux donne une grande surface à cette électrode ce qui retarde la polarisation de cette pile.
la fem de cet élément est d'environ 1 V, ce qui nécessite d'en installer le double que pour une pile au bichromate pour obtenir la même tension.
La pile Lalande et Chaperon
| Contrairement aux piles précédentes qui utilisent un
électrolyte acide, cette pile utilise une solution concentrée de potasse.
le dépolarisant est de l'oxyde de cuivre comprimé sous forme de briquette. Les électrodes sont composées d'une plaque de zinc et d'une briquette d'oxyde de cuivre. Cette pile est d'un fonctionnement remarquable, mais la force électromotrice ne dépasse pas 0,9 V. |
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En 1877, Georges LECLANCHE (1839-1882) met au point une pile électrique d'un usage bien plus facile et capable d'un fonctionnement prolongé.
Contrairement aux piles précédentes, c'est une pile à dépolarisant solide (bioxyde de manganèse).
| Elle se présente sous forme d'un vase en verre et de deux
pôles munis d'une borne de raccordement en laiton.
le pôle négatif est constitué par un bâton de zinc plongeant dans un liquide constitué par une solution de chlorure d'ammonium dans l'eau. Le pôle positif est un barreau de charbon enfermé dans un vase poreux rempli d'un mélange de charbon en poudre et de bioxyde de manganèse. La pile fournie une tension d'environ 1,5 V. Elle peut fonctionner de façon quasi permanente. |
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L'entretien de cette pile est simple et se limite à une surveillance périodique du niveau de l'électrolyte et de l'usure du bâton de zinc.
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Certes, le transport de ces piles reste un problème. Des progrès rapides vont permettre de figer l'électrolyte et de rendre l'ensemble facilement utilisable dans des applications domestiques et industrielles. Le gel de l'électrolyte est obtenu en incorporant au liquide de l'agar-agar ou de l'amidon. |
Un montage en série de plusieurs éléments permet d'augmenter la tension de la batterie.
En associant 3 éléments la tension de l'ensemble est de 4,5V. C'est la tension courante des piles pour lampes de poche.
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En montant en série plus de 60 éléments il est possible de
constituer une pile "haute tension" de 90 V.
Ce type de piles était commercialisé pour des applications dans la TSF dans les années 1920. Elles permettaient de disposer d'une tension suffisante pour alimenter les premiers postes à batteries (tension dite "de plaque"). |
L'ensemble des piles élémentaires était enfermé dans une boite en carton de la dimension d'une boite à sucre équipée de bornes sur le dessus pour brancher les fils du poste de TSF.
L'allumage des voitures automobiles américaines dans les années 1910 était obtenu avec des batteries de piles sèches "RELOFF" capable de débiter 30 à 35 ampères.
| Pile LECLANCHE-BARBIER
La pile LECLANCHE-BARBIER est une variante de la pile LECLANCHE mise au point vers 1878. Dans cette pile, le charbon est supprimé et remplacé par un cylindre creux composé d'un mélange de peroxyde de manganèse et de graphite aggloméré sous pression avec de la gomme laque. L'électrode en zinc (pôle -) est placée au centre du vase. La fabrication en grande série d'électrodes creuses avait demandé une mise au point assez difficile et constituait l'essentiel du brevet. |
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Même si les résultats de cet élément ne donnèrent pas toutes les satisfactions attendues, l'agglomération sous pression du dépolarisant avait permit l'augmenter la capacité des piles et le remplacement les plaques de charbon par des crayons moins fragiles avait conduit à des baisses de coût de production.
N'oublions pas que nous sommes à l'époque de l'éclairage électrique à arc, gros consommateur de charbons cylindriques quasi incassables.
De plus, l'emplacement central de l'électrode en zinc permettait une meilleure fermeture et la diminution de la perte d'eau par évaporation ce qui était un point positif pour la maintenance.
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Dans sa forme moderne, le vase en verre à disparu et l'électrode en zinc constitue l'enveloppe externe de l'élément de pile.
La pile Leclanché va devenir d'emploi courant dans des domaines aussi variés que l'éclairage (lampes de poche), la téléphonie, la surveillance (sonneries d'appel en milieu hospitalier ou dans l'hôtellerie).
Les piles à dépolarisation par l'air
Pile FERY
Pour une raison historique, la pile FERY mérite d'être évoquée. Cette pile a été développée pendant la guerre de 14-18.
A cette époque le bioxyde de manganèse nécessaire à la fabrication des piles Leclanché provenait de gisements naturels de pyrolusite (bioxyde double de manganèse et de fer) et exigeait un minerai de grande pureté chimique
| . Un tel minerai, rare en France, était importé
d'Allemagne et était devenue, du fait de la guerre, une matière première
sensible.
Compte tenu de cet élément, Charles FERY examine s'il ne serait pas possible de remplacer ce composant par l'oxygène de l'air qui est présent partout et qui est, de plus, gratuit. Il met au point une pile d'un nouveau type "à dépolarisant par l'air"dont le fonctionnement s'avère remarquable et le coût de production et d'entretien tout à fait satisfaisant. Le pôle + de cette pile est constitué d'un tube de charbon percé de trous verticaux dans lesquels se fait la réduction de l'hydrogène. Le zinc est placé au fond du bac et dans ces conditions, il n'est pas attaqué par l'oxygène de l'air. |
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L'hydrogène est généré dans la partie basse du charbon et disparaît en période de repos de la pile sous l'effet de l'activation d'une "pile interne" qui le réduit en partie haute du charbon près de la surface chargée en oxygène de l'air.
| Les piles FERY sont caractérisées par une très
grande capacité massique.
Il était possible d'obtenir au minimum 90 ampères-heures avec 100 grammes de sel d'ammoniac pour une pile dont le poids ne dépassait pas 2,1 Kg. L'emploi de ces piles n'est plus, bien évidemment, d'actualité. Leur emploi était cependant très répandue dans les années 20 comme en témoigne la publicité d'époque ci-contre. |
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Autres piles à dépolarisation par l'air
| La pile AD commercialisée par la société Le Carbone
ou la pile OXAIR de Leclanché sont des piles à dépolarisation par
l'air dérivée de la pile Féry.
L'image ci-contre montre les différents composants d'une pile AD. L'électrolyte est une solution de chlorure d'ammonium comme la pile Leclanché. |
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Les piles étanches
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Afin d'améliorer la transportabilité des piles, certains
constructeurs ont imaginé des piles "hermétiques et démontables" qui
enferment l'électrolyte dans un vase étanche.
L'image ci-contre montre une pile de ce type : Il s'agit d'une Pile système BEAUTEY à usage multiple (sonnerie, tableau indicateur, téléphone, voiturette électrique et tricycle). Cette pile existait en deux versions : vase en carton laqué ou vase en celluloïd. |
"En remplaçant une pile sèche par une pile liquide hermétique démontable, on réalise une économie de 80%" disait une publicité d'époque (année 1909).
Son usage pour la TSF n'était pas encore cité.
Il existe bien sûr de nos jours différentes sortes de piles qui sont destinées à des usages généraux (piles ordinaires ou alcalines) ou à des usages plus spécifiques telles les piles "au mercure", au lithium employées sur les appareils électroniques ou les montres ou encore à des usages très particuliers civiles ou militaires (piles amorçables, piles rechargeables, piles à combustibles etc...).
Les progrès récents faits dans le domaine des piles sont à la base du développement de l'électronique et de la micro-électronique.
Sources :
Dernière mise à jour de la page : juillet 10, 2002
