VALORISATION DE ZINC DANS LES PILES

Evolution technologique et types de piles électriques 

En 1786, Luigi Galvani, observe que les muscles d’une cuisse de grenouille se contractent quand elle est mise en contact avec des métaux, de la même manière que lorsqu’on la branche sur une machine électrostatique. Il découvre que la réaction est plus forte quand on utilise un instrument composé de deux métaux différents. II.2.1. Piles polarisables [11] A partir des travaux de Galvani, Alessandro Volta crée en 1800 la première pile à colonne : ce premier système était constitué d’un empilement de disques de deux métaux différents séparés par des disques de feutre, imbibés d’acide, d’où le nom de « piles polarisables ». Figure 3 : schéma de principe de la pile Volta Mémoires de fin d’études Génie Chimique 2006 RAZAFINDRABE H. Mamehisoa Page 10 L’électrode positive est une lame de cuivre et l’électrode négative, une lame de zinc sous forme d’amalgame ; l’électrolyte est de l’acide sulfurique qui n’attaque pas les électrodes lorsqu’aucun courant ne circule. La force électromotrice ou f.é.m. est voisine de 1V et la résistance intérieure est proche de quelques ohms. Lors du passage du courant, il se dégage de l’hydrogène à la cathode ; à l’anode, le zinc passe dans la solution, sous forme d’ions Zn2+. Globalement, la réaction qui se produit peut être schématisée selon l’équation chimique suivante : Zn + 2 H+ Zn2+ + H2 Entre 1813 et 1815 William Hyde Wollaston développe la pile Wollaston dans laquelle l’électrode de cuivre entoure l’électrode de zinc. Cela permet de doubler la surface de l’électrode et de prolonger le fonctionnement de la pile. Ce première ou deuxième pile souffre en effet d’un défaut de fonctionnement : la polarisation*. 

Piles impolarisables

Dans ces piles, les produits de la réaction d’oxydoréduction utilisés n’altèrent pas les propriétés électrochimiques de l’ensemble. En 1829, Antoine Becquerel crée la première pile à deux liquides séparés en enfermant la plaque de zinc en solution acide dans un gros intestin de bœuf, qui la sépare de l’électrode de cuivre placées dans un bain de sulfate de cuivre. La génération d’hydrogène est remplacée par une accumulation de cathode de cuivre. Le principe d’Antoine Becquerel est amélioré en 1836 par John Frédéric Daniell qui remplace l’intestin de bœuf par une vase en terre poreuse. La pile Daniell est la première à offrir une source durable d’énergie. *la polarisation : lorsqu’un isolant est placé dans un champ électrique, les électrons et les protons de ses atomes se réorientent, induisant une polarisation à l’échelle moléculaire. L’isolant se comporte alors comme un dipôle électrique, entre les bornes duquel apparaît une différence de potentiel ou tension.  Figure 4 : schéma de principe de la pile Daniell Pile au mercure L’électrode positive de la pile est de l’oxyde de mercure (en poudre) et l’électrode négative est en zinc. L’électrolyte est une solution aqueuse d’hydroxyde de potassium (KOH) saturée de zincate de potassium (Zn OK2). Lorsque la pile ne fonctionne pas, l’électrolyte est ionisé et il se produit diverses réactions au niveau des électrodes. La pile présente alors une f.é.m. égale à 1,35V fonction seulement de la nature des électrodes et de l’électrolyte. Figure 5 : piles boutons à mercure La pile est impolarisable car, au niveau de la cathode, il se forme du mercure qui est un métal bon conducteur d’électricité. La résistance interne n’augmente pratiquement pas et la f.é.m. n’est pas modifiée par la présence de ce Mémoires de fin d’études Génie Chimique 2006 RAZAFINDRABE H. Mamehisoa Page 12 corps. La concentration de l’électrolyte reste la même : il n’y a pas de changement du nombre d’ions K+ et la quantité d’eau ne varie pas puisque chaque fois qu’il disparait une molécule d’eau à l’électrode positive, il s’en forme une à l’autre électrode. Les faibles dimensions de cette pile présentent plusieurs utilisations dans de nombreux dispositifs miniaturisés : • Appareils de correction auditive • Appareils de stimulation cardiaque implantés dans le corps humain pour fonctionner plusieurs années.

Piles à dépolarisation

Ces piles utilisent un réducteur pour éliminer les produits de réaction qui se forment à la cathode. a- Pile Leclanché [7], [11] En 1868, Georges Leclanché crée la première pile à dépolarisant solide : le dioxyde de manganèse. Figure 6 : coupe d’une pile sèche e L’électrode négative est en zinc et l’électrode positive en charbon. L’électrolyte est une solution de chlorure d’ammonium. Le charbon est entouré de bioxyde de manganèse (MnO2) qui joue le rôle de dépolarisant : il oxyde l’hydrogène qui se forme sur la cathode (électrode positive de la pile) et empêche la formation d’une gaine gazeuse isolante autour de cette électrode. Pour rendre l’emploi de cette pile plus pratique, l’électrolyte est parfois immobilisé en gelée ou par de la fécule ou de la gélose ; elle est alors appelée une « pile sèche ». L’anode en zinc est en forme de tube et sert d’enveloppe à la pile. La f.é.m. d’une pile Leclanché est voisine de 1,5V. La pile cesse de fonctionner lorsque tout le zinc constituant l’électrode négative du générateur est transformé. La pile sèche Leclanché, appelée aussi pile saline, est la plus employée pour alimenter des appareils portatifs ou fixes (récepteurs de radio, appareils d’éclairage, outils de faible puissance, jouets divers, etc.). Mais le nombre de ses utilisations reste limité, car elle ne peut fournir des courants très intenses et de plus, sa capacité reste relativement faible. La pile Leclanché est dite saline à cause de son électrolyte composé de sel d’ammonium et de sel de zinc. b- Pile alcaline au manganèse [7] La première pile alcaline grand public a été conçue par Lewis Urry en 1959. Elle présente beaucoup de ressemblance avec la pile Leclanché, elle est dite alcaline car l’électrolyte utilisé est une solution d’hydroxyde de potassium. L’électrode positive est un mélange de carbone et de bioxyde de manganèse (dépolarisant). L’électrode négative est en zinc. Ces éléments sont contenus dans un boîtier en acier ; il est étanche et n’est pas attaqué chimiquement durant le fonctionnement de la pile : tout risque de coulées est ainsi éliminé.