PILE ALCALINE: COMPOSANTS, FONCTIONNEMENT ET UTILISATIONS - CHIMIE - 2025

La pile alcaline est une pile dans laquelle le pH de sa composition électrolytique est basique. C'est la principale différence entre cette batterie et beaucoup d'autres où ses électrolytes sont acides; comme c'est le cas avec les batteries zinc-carbone qui utilisent des sels NH ₄ Cl, voire de l'acide sulfurique concentré dans les batteries automobiles.

C'est aussi une cellule sèche, car les électrolytes basiques se présentent sous la forme d'une pâte à faible pourcentage d'humidité; mais assez pour permettre une migration des ions participant aux réactions chimiques vers les électrodes, et ainsi compléter le circuit électronique.

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Ci-dessus, une pile Duracell 9V, l'un des exemples les plus connus de piles alcalines. Plus la batterie est grande, plus sa durée de vie et sa capacité de travail sont longues (surtout si elles sont utilisées pour des appareils à forte intensité énergétique). Pour les petits appareils, vous disposez de piles AA et AAA.

Une autre différence en dehors du pH de leur composition électrolytique, est que, rechargeables ou non, elles durent généralement plus longtemps que les batteries acides.

Composants de piles alcalines

Dans la batterie zinc-carbone, il y a deux électrodes: l'une en zinc et l'autre en carbone graphitique. Dans sa "version de base", l'une des électrodes au lieu d'être en graphite, est constituée d'oxyde de manganèse (IV), MnO ₂ mélangé avec du graphite.

La surface des deux électrodes est consommée et recouverte par les solides résultant des réactions.

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En outre, au lieu d'une boîte avec une surface de zinc homogène en tant que conteneur de cellules, il existe une série de disques compacts (image du haut).

Au centre de tous les disques se trouve une tige de MnO ₂, à l'extrémité supérieure de laquelle une rondelle isolante fait saillie et marque la borne positive (cathode) de la batterie.

Notez que les disques sont recouverts d'une couche poreuse et métallique; ce dernier pourrait également être un film plastique mince.

La base de la cellule est la borne négative, où le zinc s'oxyde et libère les électrons; mais ceux-ci ont besoin d'un circuit externe pour atteindre le haut de la batterie, sa borne positive.

La surface du zinc n'est pas lisse, comme c'est le cas avec les cellules Leclanché, mais rugueuse; c'est-à-dire qu'ils ont de nombreux pores et une grande surface qui augmentent l'activité de la batterie.

Électrolytes de base

La forme et la structure des batteries changent en fonction du type et de la conception. Cependant, toutes les piles alcalines ont en commun un pH basique de leur composition électrolytique, qui est dû à l'ajout de NaOH ou KOH au mélange pâteux.

En fait, ce sont les ions OH ^- ceux qui participent aux réactions responsables de l'énergie électrique fournie par ces objets.

Fonctionnement

Lorsque la pile alcaline est connectée à l'appareil et allumée, le zinc réagit immédiatement avec l'OH ^- de la pâte:

Zn (s) + 2OH ^- (aq) => Zn (OH) ₂ (s) + 2e ^-

Les 2 électrons libérés par l'oxydation du zinc se déplacent vers le circuit externe, où ils sont responsables du démarrage du mécanisme électronique de l'appareil.

Ensuite, ils reviennent à la batterie par la borne positive (+), la cathode; c'est-à-dire qu'ils traversent l'électrode de graphite MnO ₂. Comme les pâtes ont une certaine humidité, la réaction suivante se produit:

2MnO ₂ (s) + 2H ₂ O (l) + 2e ^- => 2MnO (OH) (s) + 2OH ^- (aq)

Maintenant le MnO ₂ est réduit ou gagne les électrons du Zn. C'est pour cette raison que cette borne correspond à la cathode, où se produit la réduction.

A noter que l'OH ^- est régénéré en fin de cycle pour redémarrer l'oxydation du Zn; en d'autres termes, ils diffusent au milieu de la pâte jusqu'à rentrer en contact avec le zinc en poudre.

De même, les produits gazeux ne se forment pas, comme cela se produit avec la cellule zinc-carbone où NH ₃ et H ₂ sont générés.

Il viendra un point où toute la surface de l'électrode sera couverte par les solides de Zn (OH) ₂ et MnO (OH), mettant fin à la vie utile de la batterie.

Piles rechargeables

La pile alcaline décrite n'est pas rechargeable, donc une fois qu'elle est «morte», il n'y a aucun moyen de l'utiliser à nouveau. Ce n'est pas le cas des rechargeables, qui se caractérisent par des réactions réversibles.

Pour convertir les produits en réactifs, un courant électrique doit être appliqué dans le sens opposé (non pas d'anode à cathode, mais de cathode à anode).

Un exemple de pile alcaline rechargeable est NiMH. Il se compose d'une anode NiOOH, qui perd des électrons au profit de la cathode d'hydrure de nickel. Lorsque la batterie est utilisée, elle se décharge, et c'est de là que vient l'expression bien connue «charger la batterie».

Ainsi, il peut être rechargé des centaines de fois, selon les besoins; cependant, le temps ne peut pas être complètement inversé et les conditions d'origine atteintes (ce qui ne serait pas naturel).

De plus, il ne peut pas être rechargé de manière arbitraire: les directives recommandées par le fabricant doivent être suivies.

C'est pourquoi, tôt ou tard, ces batteries périssent également et perdent leur efficacité. Cependant, il présente l'avantage de ne pas être rapidement jetable, contribuant moins à la contamination.

Les autres batteries rechargeables sont les batteries au nickel-cadmium et au lithium.

Applications

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Certaines variantes de piles alcalines sont si petites qu'elles peuvent être utilisées dans les montres, les télécommandes, les horloges, les radios, les jouets, les ordinateurs, les consoles, les lampes de poche, etc. D'autres sont plus gros qu'une figurine d'un clone de Star Wars.

En fait, ce sont celles du marché qui prédominent sur les autres types de batteries (du moins pour un usage domestique). Elles durent plus longtemps et produisent plus d'électricité que les batteries Leclanché classiques.

Bien que la pile zinc-manganèse ne contienne pas de substances toxiques, d'autres piles, comme les piles au mercure, ouvrent un débat sur leur impact possible sur l'environnement.

D'autre part, les piles alcalines fonctionnent très bien dans une large gamme de températures; Ils peuvent même fonctionner en dessous de 0 ° C, ils constituent donc une bonne source d'énergie électrique pour les appareils entourés de glace.

Références

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2. Whitten, Davis, Peck et Stanley. (2008). Chimie. (8e éd.). Apprentissage CENGAGE.
3. Policier. (10 mai 2014). En savoir plus sur les piles alcalines les plus fiables. Récupéré de: upsbatterycenter.com
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5. Boyer, Timothy. (19 avril 2018). Quelle est la différence entre les piles alcalines et non alcalines? Découvrir. Récupéré de: scaimer.com
6. Michael W. Davidson et l'Université d'État de Floride. (2018). La batterie alcaline-manganèse. Récupéré de: micro.magnet.fsu.edu