Une pile, comment ça marche ?

Une pile électrique, couramment appelée pile, est un dispositif électrochimique qui convertit l'énergie chimique en énergie électrique grâce à une réaction chimique d'oxydo-réduction. Dans une pile du commerce, les réactifs sont introduits à la fabrication ; lorsqu'ils sont consommés par la réaction chimique, la pile s'use jusqu'à s'épuiser…

À l'origine, le terme pile désignait un dispositif inventé par le savant italien Alessandro Volta, composé d'un empilement de rondelles de deux métaux différents, séparés par des feutres imprégnés d'un électrolyte. Par extension, le mot « pile » désigne toute batterie monobloc non rechargeable. Cependant, le terme « batterie » désigne un ensemble d'éléments montés en série pour obtenir une tension souhaitée, dans un emballage unique. Mais la locution « pile rechargeable » n'a pas de sens. De même, par abus de langage, le terme « pile » est utilisé pour désigner d'autres générateurs électrochimiques : pile à combustible, accumulateur électrique.

Schéma d'une pile
Chaque récipient sert de demi-cellule. Dans chaque demi-cellule, une électrode (symbolisée par une brique) y est plongée. Les deux demi-cellules sont également reliées par un pont salin, lequel sert au maintien de l'équilibre des charges électriques. Ce pont permet le passage d'ions, mais pas celui du solvant. Lorsque les électrodes sont constituées de matériau présentant une différence de potentiel suffisante, un courant électrique s'établit de la cathode à l'anode, c'est-à-dire de l'électrode positive à l'électrode négative.

Principe de fonctionnement
Le boîtier d'une pile abrite une réaction chimique entre deux substances dont l’une peut céder facilement des électrons (matériau réducteur), et l’autre qui les absorbe (matériau oxydant). Chacune de ces réactions chimiques est dite « demi-réaction ». Lorsqu'elles sont proprement combinées, elles forment une réaction d'oxydo-réduction. Chaque demi-réaction survient dans une solution où se produit un échange d'électrons. Ce sont ces électrons qui sont échangés entre les deux substances. Pour assurer l'équilibre des charges électriques, il faut relier les deux solutions à l'aide d'un pont salin, système qui permet le transport de certains ions tout en interdisant la circulation du solvant.

Chaque élément du couple oxydant/réducteur est relié à une électrode. Ces électrodes, lorsqu'elles sont reliées à un consommateur électrique, provoquent la circulation d'un courant électrique ; la réaction chimique provoque une circulation de charges (électrons, ions). Une pile fournit donc du courant continu. La borne (-) d'une pile correspond à l'anode où se produit la réaction d'oxydation qui va fournir les électrons. La borne (+) d'une pile correspond à la cathode où se produit la réaction de réduction qui va consommer les électrons.

Ce système est utilisé pour les piles électriques et les batteries d'accumulateurs, avec divers couples électrochimiques. Une pile électrique peut contenir plusieurs de ces couples montés en série, ce qui permet d'augmenter la tension disponible aux bornes de la pile.

Il est possible de réaliser une pile artisanale, par exemple en piquant dans un citron un trombone déplié ou un clou (en acier galvanisé, recouvert donc de zinc) et un fil électrique dénudé (en cuivre) reliés à une petite lampe ou une diode électroluminescente bien choisie. On trouve dans le commerce des gadgets qui utilisent ce principe : par exemple des petites horloges à quartz qui sont alimentées par une pomme de terre.

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