Cellule primaire

Une cellule primaire (terme américain, en France on utilise le terme pile) est une pile électrique (une cellule galvanique) conçue pour être utilisée une seule fois puis jetée, et non pour être rechargée en électricité puis réutilisée comme l'est une cellule secondaire (batterie rechargeable). En général, la réaction électrochimique se produisant dans la cellule n'est pas réversible, rendant la cellule non rechargeable. Lorsqu'une cellule primaire est utilisée, les réactions chimiques dans la batterie consomment les produits chimiques qui génèrent l'énergie; quand ils sont entièrement consommés, la batterie cesse donc de produire de l'électricité. En revanche, dans une cellule secondaire, la réaction peut être inversée en faisant passer un courant dans la cellule avec un chargeur de batterie pour la recharger, régénérant les réactifs chimiques. Les cellules primaires sont fabriquées dans une gamme de tailles standards pour alimenter les petits appareils ménagers tels que les lampes de poche et les radios portables.

Une gamme de piles (cellules primaires) de tailles standard. De gauche à droite : pile multicellulaire « plate » 4,5 V de type 3LR12 ; piles « bâton » 1,5 V de dénominations commerciales D, C, AA, AAA, AAAA ; pile « bâton » 12 V A23 ; pile multicellulaire 9 V 6LR61 ; piles « bouton » 1,5 V LR44 (haut) et 3 V CR2032 (bas).

Les cellules primaires représentent environ 90 % du marché de 50 milliards de dollars des batteries, mais les batteries secondaires ont gagné des parts de marché. Environ 15 milliards de cellules primaires sont jetées dans le monde chaque année, se retrouvant pour la plupart dans des décharges. En raison des métaux lourds toxiques et des acides et alcalis forts qu'ils contiennent, les batteries sont des déchets dangereux. La plupart des municipalités les classent comme telles et exigent une élimination séparée. L'énergie nécessaire à la fabrication d'une batterie est environ 50 fois supérieure à l'énergie qu'elle contient[1] - [2] - [3] - [4]. En raison de leur teneur élevée en polluants par rapport à leur faible contenu énergétique, la cellule primaire est considérée comme une technologie qui engendre beaucoup de déchets et donc peu écologique. En raison principalement de l'augmentation des ventes d'appareils sans fil et d'outils sans fil qui, pour des raisons économiques, ne peuvent pas être alimentés par des batteries primaires et qui sont livrés avec des batteries rechargeables intégrées, l'industrie des batteries secondaires connaît une forte croissance et remplace lentement la cellule primaire dans les produits haut de gamme.

Commerce

Au début du XXI^e siècle, les cellules primaires ont commencé à perdre des parts de marché au profit des cellules secondaires, les coûts relatifs diminuant pour ces dernières. Les besoins en énergie des lampes de poche ont été réduits par le passage des ampoules à incandescence aux diodes électroluminescentes[5].

Le marché restant a connu une concurrence accrue de la part des versions privées ou non labellisées. La part de marché des deux principaux fabricants américains, Energizer et Duracell, est tombée à 37 % en 2012. Avec Rayovac, ces trois entreprises essaient de faire passer les consommateurs de l'utilisation de piles au zinc-carbone à des piles alcalines plus chères mais plus durables[5].

Les fabricants de piles occidentaux ont délocalisé la production et ne fabriquent plus de piles zinc-carbone aux États-Unis[5]. La Chine est devenue le plus grand marché des piles, avec une demande qui devrait augmenter plus rapidement que partout ailleurs, et est également passée aux piles alcalines. Dans d'autres pays en développement, les piles jetables doivent concurrencer les appareils bon marché, éoliens et rechargeables qui ont proliféré[5].

Inconvénients et avantages

Les cellules secondaires (batteries rechargeables) sont en général plus économiques à utiliser que les cellules primaires (piles). Leur coût est initialement plus élevé mais le coût d'achat d'un système de charge peuvent être étalé sur de nombreux cycles d'utilisation (entre 100 et 1000 cycles) ; par exemple, dans les outils électriques portatifs, il serait très coûteux de remplacer une batterie principale de grande capacité toutes les quelques heures d'utilisation.

Les cellules primaires ne sont pas conçues pour se recharger entre la fabrication et l'utilisation, elles ont donc une chimie de batterie qui doit avoir un taux d'autodécharge beaucoup plus faible que les anciens types de cellules secondaires. Mais elles ont perdu cet avantage avec le développement des cellules secondaires rechargeables avec des taux d'autodécharge très faibles, comme les cellules NiMH à faible autodécharge, qui maintiennent suffisamment de charge pendant assez longtemps pour être vendues préchargées[6] - [7].

Les types courants de cellules secondaires (à savoir NiMH et Li-ion) ont une résistance interne beaucoup plus faible et ne subissent donc pas de grande perte de capacité comme les alcalins, le zinc-carbone et le chlorure de zinc (heavy duty ou super heavy duty) ont une consommation de courant élevée[8].

Les batteries de réserve ont une très longue durée de stockage (de l'ordre de 10 ans ou plus) sans perte de capacité, grâce à la séparation physique des composants de la batterie jusqu'à leur assemblage au moment de l'utilisation. De telles constructions sont coûteuses mais se retrouvent dans des applications comme les munitions, qui peuvent être stockées pendant des années avant utilisation.

Polarisation

Un facteur majeur réduisant la durée de vie des cellules primaires est qu'elles se polarisent pendant l'utilisation. Cela signifie que l'hydrogène s'accumule à la cathode et réduit l'efficacité de la cellule. Pour réduire les effets de la polarisation dans les cellules commerciales et pour prolonger leur vie, la dépolarisation chimique est utilisée ; c'est-à-dire qu'un agent oxydant est ajouté à la cellule pour oxyder l'hydrogène en eau. Le dioxyde de manganèse est utilisé dans la Cellule Leclanché (ou pile zinc – carbone), et l'acide nitrique est utilisé dans la cellule Bunsen et la cellule Grove.

Des tentatives ont été réalisées pour rendre les cellules simples auto-dépolarisantes en rendant rugueuse la surface de la plaque de cuivre pour faciliter le détachement des bulles d'hydrogène mais avec peu de succès. La dépolarisation électrochimique échange l'hydrogène contre un métal, comme le cuivre (par ex. Cellule Daniell ), ou en argent (par exemple cellule à oxyde d'argent).

Terminologie

Anode et cathode

La borne de la pile (électrode) qui développe une polarité de tension positive (l'électrode de carbone dans une cellule sèche) est appelée la cathode et l'électrode avec une polarité négative (le zinc dans une cellule sèche) est appelée l'anode[9]. C'est l'inverse de la terminologie utilisée dans une cellule électrolytique ou un tube à vide thermoïonique. La raison est que les termes anode et cathode sont définis par la direction du courant électrique et non par leur tension. L'anode est la borne à travers laquelle le courant conventionnel (charge positive) entre dans la cellule à partir du circuit externe, tandis que la cathode est la borne à travers laquelle le courant conventionnel quitte la cellule et circule dans le circuit externe. Étant donné qu'une batterie est une source d'alimentation qui fournit la tension qui force le courant à travers le circuit externe, la tension sur la cathode doit être supérieure à la tension sur l'anode, créant un champ électrique dirigé de la cathode à l'anode, pour forcer la charge positive hors de la cathode par la résistance du circuit externe.

À l'intérieur de la cellule, l'anode est l'électrode où se produit l'oxydation chimique, car elle donne des électrons qui en sortent vers le circuit externe. La cathode est l'électrode où se produit la réduction chimique, car elle accepte les électrons du circuit externe.

En dehors de la cellule, une terminologie différente est utilisée. Comme l'anode donne une charge positive à l'électrolyte (restant ainsi avec un excès d'électrons qu'elle va donner au circuit), elle devient chargée négativement et est donc connectée à la borne marquée "-" à l'extérieur de la cellule. La cathode, quant à elle, donne une charge négative à l'électrolyte, elle devient donc chargée positivement (ce qui lui permet d'accepter les électrons du circuit) et est donc connectée à la borne marquée «+» à l'extérieur de la cellule[10].

Les anciens manuels contiennent parfois une terminologie différente qui peut semer la confusion chez les lecteurs modernes. Par exemple, un manuel de 1911 par Ayrton et Mather[11] décrit les électrodes comme la « plaque positive » et la « plaque négative ».

Notes et références

Marquita K. Hill, Understanding Environmental Pollution : A Primer, Cambridge University Press, 2004, 274 (ISBN 0-521-52726-0, lire en ligne)
« battery energy 50 times environment pollution. »
John Watts, Gcse Edexcel Science, Letts and Lonsdale, 2006, 63 p. (ISBN 1-905129-63-7, lire en ligne)
Wastebusters, The Green Office Manual : A Guide to Responsible Practice, Routledge, 2013, 96 p. (ISBN 978-1-134-19798-9, lire en ligne)
Kevin Danaher, Shannon Biggs et Jason Mark, Building the Green Economy : Success Stories from the Grassroots, Routledge, 2016, 199 p. (ISBN 978-1-317-26292-3, lire en ligne)
« Batteries: Out of juice », The Economist,‎ 18 janvier 2014 (lire en ligne, consulté le 10 février 2014)
(en) « Eneloop AA 4-Pack »
(en) « Eneloop Self Discharge study »
(en) « Discharge tests of Alkaline AA batteries »
(en) Denker, « How to Define Anode and Cathode », See How It Flies, Denker personal website, 2004 (consulté le 8 septembre 2018)
John S. Newman, Karen E. Thomas-Alyea, Electrochemical systems, Wiley-IEEE, 3rd ed. 2004, (ISBN 0-471-47756-7)
W. E. Ayrton and T. Mather, Practical Electricity, Cassell and Company, London, 1911, page 170

Voir aussi

Lien externe

(en) Brooke Schumm, « Nonrechargeable batteries », sur Electrochemistry Encyclopedia, juin 2002 (consulté le 18 février 2021)

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