Une pile électrique, couramment dénommée « pile »., est un dispositif électrochimique qui produit de l'électricité en convertissant de l'énergie chimique en énergie électrique grâce à une réaction d'oxydoréduction.
Le savant italien Alessandro Volta inventa la pile voltaïque en 1800. Ce système électrochimique empileLe mot « pile » vient de cet empilement. alternativement des couches de métaux différents (cuivre ou zinc et argent), séparées par des feutres imbibés d'acide (électrolyte).
Le Bureau international des poids et mesures choisit de nommer l'unité de potentiel électrique le volt, en référence à Volta.
Par analogie, le terme « pile » désigne tout empilement d’éléments produisant de l'électricité, de même que « batterie » désigne toute mise en série de piles ou d'accumulateurs électriques.
Vocabulaire : pile, accumulateur, batterie Pile et « pile rechargeable » vignette|upright|Pile de Volta, début du . thumb|upright|Piles salines et alcalines, les plus courantes. thumb|left|upright=.4|Symbole électronique d'une pile qui se réfère à la structure de la pile voltaïque. À l'origine, le terme « pile » désignait le dispositif décrit en introduction, inventé par le physicien Alessandro Volta.
Le mot « pile » désigne aujourd'hui tout élément monobloc, dont la décharge est irréversible.. En effet, une fois que le potentiel des électrodes a été égalisé, il n'est plus possible de restaurer le potentiel électrique initial.
Par extension, certains auteurs utilisent l'appellation « pile rechargeable » pour un petit accumulateur électrique rechargeable de dimensions identiques à une pile, dont la tension est généralement inférieure à celle d'une pile alcaline de même taille. Ceci s'explique par la traduction du terme anglais battery, qui englobe les piles (primary battery) et les accumulateurs (secondary battery). En français, le mot batterie est utilisé pour les éléments rechargeables et non pas pour les éléments non rechargeables.
Batterie Le terme « batterie » désigne une association en série ou en parallèle de piles ou d'accumulateurs afin que l'ensemble atteigne certaines caractéristiques nominales, telles que la tension, le courant maximum admissible ou la capacité.
Si les éléments montés les uns avec les autres sont des accumulateurs, ils forment une batterie d'accumulateurs.. Dans le cas d'une association de piles, l'assemblage, non rechargeable, est nommé batterie primaire.
Le terme de « batterie » utilisé dans l'industrie automobile désigne donc plus exactement une batterie d'accumulateurs, celle-ci étant rechargeable.
Autres Le terme « pile » apparaît dans d'autres dénominations qui ne partagent pas le même principe de fonctionnement. Ainsi, la pile à combustible, bien que fonctionnant également par réaction d'oxydoréduction, n'est pas constituée d'empilement de métaux.
Principe de fonctionnement thumb|upright|Schéma d'une pile. Chaque récipient constitue une demi-cellule. Une électrode (symbolisée par une brique) est plongée dans chaque demi-cellule. Les deux demi-cellules sont reliées par un pont salin. Le boîtier d'une pile est le siège d'une réaction chimique entre deux substances dont l’une peut facilement céder 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'oxydoréduction. 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, un système permettant 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 circuit consommateur d'électricité, provoquent la circulation d'un courant électrique ; la réaction chimique provoque une circulation de charges (électrons, ions). Une pile fournit 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 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'ajuster la tension disponible, aux bornes de la pile, à la valeur désirée.
Il est possible de réaliser une pile artisanale, par exemple en insérant 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 diode électroluminescente bien choisiePalais de la découverte, La Pile au citron , IFIM23, 2006.. À l'anode, le zinc cède ses électrons, et à la cathode, l'ion H+ du jus acide capte les électrons et se dégage sous forme de dihydrogène .. On trouve dans le commerce des gadgets qui utilisent ce même principe : par exemple de petites horloges à quartz qui sont alimentées par une pomme de terre (même principe à l'anode, alors qu'à la cathode l'eau se réduit en ions HO− et en hydrogène)..
Histoire Des objets archéologiques, comme ceux trouvés en 1936, ressemblent à des piles. Ainsi de la pile électrique de Bagdad, datant du , bien que sa fonction de pile soit controversée.. Elles auraient fonctionné aux jus de fruits, voire au sulfate de cuivre, des expérimentations sur des reconstitutions modernes ont validé la faisabilité des deux modèles. Il n'existe aucun lien historique entre ces objets et le développement des piles contemporaines, d'autant que l'usage de celles-ci serait le placage de métaux précieux (par électrolyse galvanoplastique), ce qui expliquerait son usage mineur, ou secret, peut-être associé, à l'usage, aux faussaires (voir Archimède et la couronne du roi Hiéron)Magazine, Monde Inconnu (Le), , 06/1987, Technologies avancées dans les temps reculés, Michel Granger..
En 1786, Luigi Galvani observe que les muscles d'une cuisse de grenouille se contractent lorsqu'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 il utilise un instrument composé de deux métaux différents..
En opposition avec les travaux de Galvani (électricité d'origine animale), Alessandro Volta invente la première pile à colonne le Publication soumise le dans une lettre en français au président de la Royal Society, Joseph Banks. ; ces premiers systèmes étaient constitués d'un « empilement » (d'où le nom de l'invention) de disques de deux métaux différents séparés par des disques de feutre, imbibés d'acide. La pression de la colonne sur les disques du bas provoque un assèchement des cylindres de feutre qui finissent par ne plus remplir leur office. Volta invente donc rapidement la pile à couronne, constituée d'empilements plus petits montés en série.
Quelques mois après l'invention de Volta, deux chimistes britanniques, William Nicholson (1753-1815) et Anthony Carlisle (1768-1840), utilisent la pile de Volta pour réaliser la première électrolyse artificielle (électrolyse de l'eau) le .
Dès 1802, William Cruikshank crée la pile à auge en disposant verticalement les lames de zinc et de cuivre dans un bac à parois isolantes rempli d'eau acidulée. Elle est beaucoup plus simple à produire que la pile de Volta.
Piles polarisables 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. Ces premières piles souffrent, en effet, d'un défaut de fonctionnement : la .
La réaction d'oxydoréduction provoque une accumulation de sous-produits qui perturbe le fonctionnement de la pile. Dans ces piles zinc cuivre, c'est la réduction de l'acide de l'électrolyte qui produit un dégagement de bulles de dihydrogène sur le cuivre qui empêche le passage du courant. Au bout d'un certain temps, il est nécessaire de nettoyer la pile de ces dépôts pour qu'elle continue de fonctionner.
En 1813, Napoléon fournit à l'École polytechnique une pile voltaïque de cuivre/zinc, occupant de surface. Humphry Davy fait construire une pile Cruickshank constituée de et de cuivre/zinc à l'Institut Royal de Londres. Avec ces piles monumentales, il était possible d'obtenir des intensités de , soit des puissances de l'ordre de la dizaine de kW.
Piles impolarisables thumb|upright|Schéma de principe de la pile Daniell. Dans les piles impolarisables, les produits de la réaction d'oxydoréduction utilisée 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 placée dans un bain de sulfate de cuivre. La génération d'hydrogène est remplacée par une accumulation de cuivre sur les parois de la cathode.
Le principe est amélioré en 1836 par John Frederic Daniell qui remplace l'intestin de bœuf par un vase en terre poreuse. La pile Daniell est la première à offrir une source durable d'énergie. Le principe de la pile Daniell aura plusieurs améliorations technologiques avec notamment la pile Callaud.
Johann Christian Poggendorff invente, en 1842, la pile à bichromate : elle libère de l'oxygène, qui se recombine avec l’hydrogène responsable de la polarisation. Créée en 1850, la pile Grenet est une pile à un seul liquide, avec des électrodes en charbon et en zinc amalgamé (plongé dans le mercure) dans un électrolyte d'acide sulfurique et de bichromate de potassium. Quand la pile n'était pas utilisée, il était nécessaire de retirer l'électrode en zinc de la solution pour la préserver. Diverses améliorations (pile Trouvé, pile Chardin, pile Voisin et Dronier…) vont suivre pour isoler cette électrode.
Ces piles bouteilles seront utilisées jusqu'au début du : la puissance et la tension élevée des piles au bichromate ont été longtemps appréciées au laboratoire. Elles ont été peu utilisées comme pile domestique à cause de la toxicité des bichromates et des problèmes d'entretien de l'électrode.
Piles à dépolarisation
thumb|upright|Pile Bunsen. thumb|upright|Piles au lithium modernes.
Les piles à dépolarisation utilisent un réducteur pour éliminer les produits de réaction qui se forment à la cathode.
La première pile à dépolarisation est inventée en 1838 par William Robert Grove. Il remplace le cuivre par du platine et utilise de l'acide nitrique (nommé acide azotique à cette époque). Il obtient une pile puissante, mais chère, car le platine est un métal rare. En 1843, Robert Wilhelm Bunsen remplace le platine par du charbon, ce qui réduit notablement les coûts (voir Pile Bunsen) mais la dépolarisation nitrique entraîne un dégagement de vapeurs toxiques qui rend l'emploi de ces piles malcommode.
En 1867, Georges Leclanché crée la première pile à dépolarisant solide : elle contient du dioxyde de manganèse. La pile Leclanché est moins puissante que la pile bouteille, mais ne nécessite aucun entretien (elle comme dira la publicité de la pile Wonder). En 1888, invente la pile sèche en gélifiant la solution de chlorure d'ammonium avec de l'agar-agar. Avec quelques améliorations, cette pile sèche est toujours utilisée au .
Pendant la Seconde Guerre mondiale, Samuel Ruben et Philip Mallory créent la pile au mercure.
En 1959, la première pile alcaline grand public est conçue par Lewis Urry, Karl Kordesch et Paul A. Marsal pour Union Carbide.
En 1970, les premières piles au lithium, permettant de remplacer le zinc par un métal plus réducteur, sont mises au point. Elles sont commercialisées en 1977.