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ETUDE EXPERIMENTALE DE PILES 1,5 V

I- Description des piles étudiées :

Ce sont toutes des piles de taille "R20" (standard international) c'est-à-dire la taille des piles qu'on utilise dans les lampes torches. Lorsqu'elles sont neuves, leur f.e.m. vaut environ 1,5 V. De forme cylindrique, leur diamètre vaut 32 mm et la hauteur totale 61 mm. Mises à part les "piles rechargeables", elles contiennent toutes du zinc qui est un des réactifs des réactions chimiques qui ont lieu dans la pile lorsqu'elle débite du courant.

On en distingue 3 grands types :

- les piles acides standard : Swan, Tiger, Sorex (environ 100 FCFA pièce au Niger).

- les piles acides "renforcées" : Rocket, National Super (environ 340 FCFA pièce au Niger).

- les piles alcalines : Duracell (environ 940 FCFA pièce au Niger).

A part, il faut citer les "piles rechargeables" : On devrait plutôt les appeler "accumulateur au cadmium/nickel". Elles ne contiennent pas de zinc. Elles sont pratiquement introuvables au Niger (elles coûtent environ l'équivalent de 2350 FCFA en France). Le chargeur coûte l'équivalent de 5700 FCFA. Elles sont rechargeables environ 1000 fois à condition de respecter un certain nombre de contraintes :

- les décharger complètement avant de les recharger.

- ne pas les charger trop longtemps (15 h est une bonne valeur).

1- Description détaillée des piles acides :

Ce sont de loin les moins onéreuses et les plus utilisées au Niger. En voici une représentation en coupe :

Comme on le verra plus loin, le cylindre de zinc ne sera que partiellement consommé lors de l'utilisation de la pile. En fait, les constructeurs sont obligés de le "surdimensionner" pour qu'il ne soit pas trop rapidement troué, laissant ainsi échapper un gel acide vers l'extérieur qui risque d'endommager l'appareil (les piles acides "coulent" assez facilement).

2- Description détaillée des piles acides "renforcées" :

Elles ne diffèrent techniquement des précédentes que par un emballage extérieur en acier doublé, à l'intérieur, d'une enveloppe de plastique entourant le cylindre de zinc. Cela limite les risques d'écoulements caractéristiques des piles acides. Cela permet aussi au constructeur de réduire la masse du cylindre de zinc. Mis à part ce perfectionnement, elles ont des performances quasi identiques aux piles acides ordinaires (voir plus loin) mais leur prix est 3,4 fois plus élevé..!

II- Étude expérimentale des performances des diverses piles :

1- Dispositif et mesures :

L'idée de base est de décharger sans interruption les diverses piles dans un conducteur ohmique de résistance donnée et de noter les valeurs de l'intensité du courant débité en fonction du temps. Voici le schéma du circuit utilisé :

On obtient ainsi les courbes de décharge (intensité en fonction du temps) données en annexe. L'aire de la surface délimitée par une courbe donnée et l'axe des abscisses d'une part, l'axe des ordonnées et la verticale x=t d'autre part, donne la charge totale débitée par une pile donnée à un instant donné. Cette surface peut être évaluée précisément par une méthode de découpage en trapèzes. On obtient ainsi les courbes donnant la charge (en C) débitée en fonction du temps pour chaque pile.

Décharges comparées de quelques piles en situation de court circuit

Décharges comparées de quelques piles (sous 2 ohms environ)

2- Analyse des courbes de décharge :

En premier lieu, quelle que soit la résistance de décharge utilisée, les courbes de décharge i = f(t) appartiennent à deux types qualitatifs :

- 1° type (Sorex, Swan, Tiger, Rocket) : courbes décroissantes avec une valeur absolue de la dérivée | i ' (t) | strictement croissante. A la manière d'une fonction y(t) = A.e^-t/t (ce qui ne veut pas dire qu'on puisse ainsi modéliser quantitativement les fonctions i(t)..!)

- 2° type (Duracell, accumulateur Cd/Ni) : courbes décroissantes en 4 phases :

- une phase initiale courte caractérisée par une décroissance rapide de i(t).

- une phase intermédiaire longue caractérisée par un palier à décroissance lente quasi affine de i(t).

- une phase courte caractérisée par une chute rapide de i(t).

- une phase finale longue caractérisée par une décroissance lente quasi affine de i(t).

Cette distinction en 2 types de comportement qualitatif est très importante. Si on prend l'exemple d'une lampe torche : le "moment" où l'utilisateur va considérer que les piles sont usées est très subjectif dans le premier cas (absence de palier) alors que dans le 2°cas, la fin assez brutale du palier et donc de l'éclairement lui signifiera de facto la "mort" des piles. Par ailleurs, le palier des piles du 1° type est toujours au dessus des courbes du 2° type.

Si on écarte le critère de prix, la supériorité des piles alcalines est manifeste. Une pile Duracell de ce type peut débiter environ 17,0 A.h (soit 61000 C) jusqu'à décharge complète. La charge utile débitée (c'est à dire jusqu'à la fin du palier) est d'environ 9,1 A.h soit un peu plus de 50% de son potentiel théorique. Le courant instantané de court circuit a une intensité d'environ 6 A ce qui est considérable.

Pour les piles acides, les comportements sont assez voisins avec une légère supériorité pour les piles Sorex. En tout cas, les piles acides "améliorées" de type Rocket sont d'un coût prohibitif eu égard à leurs performances.

3- Mesures et interprétations annexes :

Pour tous les types de piles, la masse après décharge quasi complète est égale à la masse initiale (à 0,05 gramme près). Cela illustre bien la loi de conservation de la masse totale lors de réaction(s) chimique(s).

Par ailleurs, la charge totale Q(t) débitée (sous forme d'électrons) par une pile donnée à un instant t donné est reliée simplement à la masse totale m(t) de zinc consommé dans la pile :

Le bilan de la réaction de consommation du métal zinc s'écrit : Zn donne Zn²⁺ + 2e-

Autrement dit pour 2 électrons débités, il y a 1 atome Zn consommé.

D'où m(t) = 0,5* (Q/96500)*65,4 où m est exprimé en g et Q en C (la masse molaire du zinc vaut 65,4 g/mol)

Ceci peut être illustré par l'expérience suivante :

- on décharge partiellement une pile acide (de manière à ce que le cylindre de zinc ne soit pas trop endommagé).

- on démonte la pile et après nettoyage soigné, on pèse le cylindre de zinc

- par différence avec la masse initiale, on en déduit la masse de zinc consommé.

- la courbe de décharge fournit la charge totale débitée; on en déduit la masse théorique de zinc consommé. On compare.

A titre d'exemple, une pile Sorex a été déchargée en quasi court circuit pendant 8400 s (soit 2h20mn). La masse initiale du cylindre de zinc dans ce type de pile vaut 13,8 g. Après démontage, la masse mesurée est de 9,5 g. La masse de zinc consommé est donc de 4,3 g environ. La charge totale débitée a été d'environ 11700 C ce qui donne une masse théorique de zinc consommé de 4,0 g environ. L'accord est satisfaisant.

Lorsqu'une pile débite du courant, sa f.e.m. diminue et sa résistance interne augmente.

Lorsqu'on vient de faire débiter longtemps un courant assez important et qu'on débranche le circuit de décharge, on constate que la tension à vide de la pile augmente assez rapidement pour finir par se stabiliser. Voir en annexe un document qui illustre ce phénomène de "relaxation" de la f.e.m. pour une pile Duracell qu'on vient de faire débiter pendant 8h20mn en quasi court circuit. Juste après coupure du courant la f.e.m. ne vaut que 0,70 V et après quelques minutes cette valeur a grimpé à 1,33 V. Si on remet alors la pile en court circuit, l'intensité du courant est d'environ 350 mA alors qu'elle ne valait plus que 160 mA juste avant la coupure. Mais cette valeur décroît rapidement (en quelques minutes) à une valeur de 130 mA seulement. La pile a eu une "seconde jeunesse" bien éphémère !

Utiliser une pile par intermittence augmente sa durée de vie.

III- "Détournement" des piles acides à d'autres usages (pédagogiques) :

Ce type de piles est bon marché (100 FCFA seulement au Niger) et peut être utilisé à d'autres fins qu'un débit de courant :

Après démontage (facile), on peut récupérer :

- du zinc : utilisable en plaque pour réaliser des piles rédox ou pour fabriquer du sulfate de zinc après attaque à l'acide sulfurique (environ 400 FCFA le litre pour batterie au Niger) et évaporation.

- une électrode de carbone (utilisable pour diverses électrolyses).

- un mélange de carbone et de dioxyde de manganèse : sans avoir besoin de séparer ces 2 composants, on peut l'utiliser comme source de gaz chlore. Il suffit d'en placer dans un récipient de type erlen ou tube à essai et d'y verser de l'acide chlorhydrique assez concentré. Le mélange ne réagit pas à froid. Après un léger chauffage, le dichlore se dégage et peut être récupérer par un dispositif adéquat (tube à dégagement).

Pour démonter une pile de ce type :

- se munir d'un petit tournevis

- enlever l'emballage en papier

- avec le tournevis, enlever la capsule supérieure en plastique ainsi que la capsule inférieure en acier

- enlever la couche supérieure en plastique noire (épaisse d'environ 3mm) pour accéder au mélange poudreux

- gratter le mélange poudreux noirâtre entre le cylindre de zinc et l'électrode centrale en graphite (récupérer sur une feuille de papier). Laver à l'eau puis filtrer.

- récupérer l'électrode de graphite (la laver et la poncer à l'abrasif)

- enlever la rondelle plastique au fond du cylindre, gratter l'intérieur du cylindre de zinc et le laver à l'eau tout en grattant.

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