Expériences
En 1749, Benjamin Franklin, le polymathe américain et père fondateur, a d’abord utilisé le terme « batterie » pour décrire un ensemble de condensateurs liés qu’il utilisait pour ses expériences avec l’électricité. Ces condensateurs étaient des panneaux de verre recouverts de métal sur chaque surface. Ces condensateurs ont été chargés avec un générateur statique et déchargés en touchant du métal à leur électrode. Les relier ensemble dans une « batterie » donnait une décharge plus forte. Ayant à l’origine le sens générique de « un groupe de deux ou plusieurs objets similaires fonctionnant ensemble », comme dans une batterie d’artillerie, le terme est venu pour être utilisé pour les piles voltaïques et les dispositifs similaires dans lesquels de nombreuses cellules électrochimiques étaient connectées ensemble à la manière des condensateurs de Franklin. Aujourd’hui, même une seule cellule électrochimique, alias cellule sèche, est communément appelée batterie.
Invention
Luigi Galvani était un médecin, physicien, biologiste et philosophe italien, qui a découvert l’électricité animale. En 1780, lui et sa femme Lucia ont découvert que les muscles des jambes des grenouilles mortes se contractaient lorsqu’elles étaient frappées par une étincelle électrique. Galvani croyait que l’énergie qui a entraîné cette contraction venait de la jambe elle-même. Il a nommé « électricité animale » lorsque deux métaux différents étaient connectés en série avec une jambe de grenouille et l’un à l’autre.
Cependant, Alessandro Volta – le physicien et chimiste italien – un ami et collègue scientifique de Luigi Galvani, était en désaccord, estimant que ce phénomène était causé par deux métaux différents réunis par un intermédiaire humide. Il a vérifié cette hypothèse par expérience et a publié les résultats en 1791. En 1800, Volta inventa la première véritable batterie, connue sous le nom de pile voltaïque. La pile voltaïque était constituée de paires de disques de cuivre et de zinc empilés les uns sur les autres, séparés par une couche de tissu ou de carton imbibé de saumure (c’est-à-dire d’électrolyte). Contrairement au pot de Leyden, la pile voltaïque produisait une électricité continue et un courant stable, et perdait peu de charge au fil du temps lorsqu’elle n’était pas utilisée, bien que ses premiers modèles ne pouvaient pas produire une tension suffisamment forte pour produire des étincelles. Il a expérimenté divers métaux et a constaté que le zinc et l’argent donnaient les meilleurs résultats.
Volta pensait que le courant était le résultat de deux matériaux différents se touchant simplement — une théorie scientifique obsolète connue sous le nom de tension de contact — et non le résultat de réactions chimiques. En conséquence, il considérait la corrosion des plaques de zinc comme un défaut sans rapport qui pourrait peut-être être corrigé en changeant les matériaux d’une manière ou d’une autre. Cependant, aucun scientifique n’a jamais réussi à empêcher cette corrosion. En effet, il a été observé que la corrosion était plus rapide lorsqu’un courant plus élevé était aspiré. Cela a suggéré que la corrosion faisait en fait partie intégrante de la capacité de la batterie à produire un courant. Cela a en partie conduit au rejet de la théorie de la tension de contact de Volta en faveur de la théorie électrochimique.
Les modèles de pieux d’origine de Volta présentaient quelques défauts techniques, dont l’un impliquait une fuite d’électrolyte et des courts-circuits dus au poids des disques comprimant le chiffon imbibé de saumure. William Cruickshank, chirurgien militaire et chimiste écossais, a résolu ce problème en plaçant les éléments dans une boîte au lieu de les empiler dans une pile. C’était connu sous le nom de batterie auge. Volta lui-même a inventé une variante qui consistait en une chaîne de tasses remplies d’une solution saline, reliées entre elles par des arcs métalliques plongés dans le liquide. C’était connu comme la Couronne des coupes. Ces arcs étaient faits de deux métaux différents (par exemple, le zinc et le cuivre) soudés ensemble. Ce modèle s’est également avéré plus efficace que ses piles d’origine, bien qu’il ne se soit pas révélé aussi populaire.
Un autre problème avec les batteries de Volta était la courte durée de vie de la batterie (une heure au mieux), causée par deux phénomènes. La première était que le courant produit électrolysait la solution d’électrolyte, entraînant la formation d’un film de bulles d’hydrogène sur le cuivre, ce qui augmentait régulièrement la résistance interne de la batterie (cet effet, appelé polarisation, est contrecarré dans les cellules modernes par des mesures supplémentaires). L’autre était un phénomène appelé action locale, dans lequel de minuscules courts-circuits se formeraient autour des impuretés dans le zinc, provoquant la dégradation du zinc. Ce dernier problème a été résolu en 1835 par l’inventeur anglais William Sturgeon, qui a constaté que le zinc amalgamé, dont la surface avait été traitée avec du mercure, ne souffrait pas d’action locale.
Malgré ses défauts, les batteries de Volta fournissent un courant plus stable que les jarres de Leyden, et ont permis de nombreuses nouvelles expériences et découvertes, comme la première électrolyse de l’eau par le chirurgien anglais Anthony Carlisle et le chimiste anglais William Nicholson.
Premières batteries pratiques
Cellule de Daniell
Un professeur de chimie anglais nommé John Frederic Daniell a trouvé un moyen de résoudre le problème de la bulle d’hydrogène dans la pile Voltaïque en utilisant un second électrolyte pour consommer l’hydrogène produit par le premier. En 1836, il invente la cellule de Daniell, qui consiste en un pot en cuivre rempli d’une solution de sulfate de cuivre, dans lequel est immergé un récipient en faïence non émaillé rempli d’acide sulfurique et d’une électrode de zinc. La barrière en terre cuite est poreuse, ce qui permet le passage des ions mais empêche les solutions de se mélanger.
La cellule Daniell était une grande amélioration par rapport à la technologie existante utilisée dans les premiers jours du développement de la batterie et était la première source pratique d’électricité. Il fournit un courant plus long et plus fiable que la cellule voltaïque. Il est également plus sûr et moins corrosif. Il a une tension de fonctionnement d’environ 1,1 volts. Il est rapidement devenu la norme de l’industrie, en particulier avec les nouveaux réseaux télégraphiques.
La cellule de Daniell a également été utilisée comme première norme de travail pour la définition du volt, qui est l’unité de force électromotrice.
Cellule d’oiseau
Une version de la cellule de Daniell a été inventée en 1837 par le médecin de l’hôpital de Guy, Golding Bird, qui a utilisé un plâtre de barrière de Paris pour séparer les solutions. Les expériences de Bird avec cette cellule étaient d’une certaine importance pour la nouvelle discipline de l’électrométallurgie.
Cellule en pot poreuse
La version en pot poreuse de la cellule de Daniell a été inventée par John Dancer, un fabricant d’instruments de Liverpool, en 1838. Il se compose d’une anode centrale en zinc trempée dans un pot en faïence poreux contenant une solution de sulfate de zinc. Le pot poreux est à son tour immergé dans une solution de sulfate de cuivre contenue dans une boîte de cuivre, qui sert de cathode à la cellule. L’utilisation d’une barrière poreuse permet le passage des ions mais empêche les solutions de se mélanger.
Cellule de gravité
Dans les années 1860, un Français nommé Callaud a inventé une variante de la cellule de Daniell appelée cellule de gravité. Cette version plus simple se débarrassait de la barrière poreuse. Cela réduit la résistance interne du système et, par conséquent, la batterie produit un courant plus fort. Elle est rapidement devenue la batterie de choix pour les réseaux télégraphiques américains et britanniques, et a été largement utilisée jusque dans les années 1950.
La cellule de gravité se compose d’un bocal en verre, dans lequel une cathode en cuivre se trouve au fond et une anode en zinc est suspendue sous le rebord. Des cristaux de sulfate de cuivre sont dispersés autour de la cathode, puis le pot est rempli d’eau distillée. Au fur et à mesure que le courant est aspiré, une couche de solution de sulfate de zinc se forme en haut autour de l’anode. Cette couche supérieure est maintenue séparée de la couche inférieure de sulfate de cuivre par sa densité plus faible et par la polarité de la cellule.
La couche de sulfate de zinc est claire contrairement à la couche de sulfate de cuivre bleu profond, ce qui permet à un technicien de mesurer la durée de vie de la batterie en un coup d’œil. D’autre part, cette configuration signifie que la batterie ne peut être utilisée que dans un appareil fixe, sinon les solutions se mélangent ou se déversent. Un autre inconvénient est qu’un courant doit être continuellement aspiré pour empêcher les deux solutions de se mélanger par diffusion, il est donc impropre à une utilisation intermittente.
Cellule de Poggendorff
Le scientifique allemand Johann Christian Poggendorff a surmonté les problèmes de séparation de l’électrolyte et du dépolariseur à l’aide d’un pot en faïence poreux en 1842. Dans la cellule de Poggendorff, parfois appelée cellule de Grenet en raison des travaux d’Eugène Grenet vers 1859, l’électrolyte est de l’acide sulfurique dilué et le dépolarisant est de l’acide chromique. Les deux acides sont physiquement mélangés ensemble, éliminant le pot poreux. L’électrode positive (cathode) est constituée de deux plaques de carbone, avec une plaque de zinc (négative ou anode) positionnée entre elles. En raison de la tendance du mélange d’acides à réagir avec le zinc, un mécanisme est prévu pour soulever l’électrode de zinc à l’abri des acides.
La cellule fournit 1,9 volts. Il s’est avéré populaire auprès des expérimentateurs pendant de nombreuses années en raison de sa tension relativement élevée; une plus grande capacité à produire un courant constant et l’absence de vapeurs, mais la fragilité relative de son enceinte en verre mince et la nécessité d’avoir à soulever la plaque de zinc lorsque la cellule n’est pas utilisée ont fini par tomber en disgrâce. La cellule était également connue sous le nom de « cellule d’acide chromique », mais principalement sous le nom de « cellule de bichromate ». Ce dernier nom vient de la pratique consistant à produire l’acide chromique en ajoutant de l’acide sulfurique au dichromate de potassium, même si la cellule elle-même ne contient pas de dichromate.
La cellule plus complète a été développée à partir de la cellule de Poggendorff. Bien que la chimie soit principalement la même, les deux acides sont à nouveau séparés par un récipient poreux et le zinc est traité au mercure pour former un amalgame.
Cellule de Grove
La cellule de Grove a été inventée par le Gallois William Robert Grove en 1839. Il se compose d’une anode de zinc trempée dans de l’acide sulfurique et d’une cathode de platine trempée dans de l’acide nitrique, séparées par de la faïence poreuse. La cellule de Grove fournit un courant élevé et presque deux fois la tension de la cellule de Daniell, ce qui en a fait la cellule privilégiée des réseaux télégraphiques américains pendant un certain temps. Cependant, il dégage des vapeurs toxiques d’oxyde nitrique lorsqu’il est utilisé. La tension chute également fortement à mesure que la charge diminue, ce qui est devenu une responsabilité à mesure que les réseaux télégraphiques se complexifiaient. Le platine était et est toujours très cher.
Piles rechargeables et piles sèches
Plomb-acide
Jusqu’à présent, toutes les piles existantes étaient vidangées en permanence lorsque toutes leurs réactions chimiques étaient épuisées. En 1859, Gaston Planté inventa la batterie au plomb, la toute première batterie qui pouvait être rechargée en faisant passer un courant inverse à travers elle. Une cellule d’acide de plomb se compose d’une anode de plomb et d’une cathode de dioxyde de plomb immergée dans de l’acide sulfurique. Les deux électrodes réagissent avec l’acide pour produire du sulfate de plomb, mais la réaction à l’anode de plomb libère des électrons tandis que la réaction au dioxyde de plomb les consomme, produisant ainsi un courant. Ces réactions chimiques peuvent être inversées en faisant passer un courant inverse à travers la batterie, la rechargeant ainsi.
Le premier modèle de Planté consistait en deux feuilles de plomb séparées par des bandes de caoutchouc et roulées en spirale. Ses batteries ont d’abord été utilisées pour alimenter les lumières des wagons de train lorsqu’elles étaient arrêtées dans une gare. En 1881, Camille Alphonse Faure invente une version améliorée qui consiste en un treillis de grille de plomb dans lequel est pressée une pâte d’oxyde de plomb, formant une plaque. Plusieurs plaques peuvent être empilées pour de meilleures performances. Cette conception est plus facile à produire en série.
Par rapport aux autres batteries, celle de Planté est plutôt lourde et encombrante pour la quantité d’énergie qu’elle peut contenir. Cependant, il peut produire des courants remarquablement importants lors des surtensions. Il a également une très faible résistance interne, ce qui signifie qu’une seule batterie peut être utilisée pour alimenter plusieurs circuits.
La batterie au plomb est encore utilisée aujourd’hui dans les automobiles et d’autres applications où le poids n’est pas un facteur important. Le principe de base n’a pas changé depuis 1859. Au début des années 1930, un électrolyte en gel (au lieu d’un liquide) produit en ajoutant de la silice à une cellule chargée a été utilisé dans la batterie LT des radios portatives à tube à vide. Dans les années 1970, les versions « scellées » sont devenues courantes (communément appelées « cellule à gel » ou « SLA »), permettant d’utiliser la batterie dans différentes positions sans défaillance ni fuite.
Aujourd’hui, les cellules sont classées comme « primaires » si elles ne produisent un courant que jusqu’à épuisement de leurs réactifs chimiques, et « secondaires » si les réactions chimiques peuvent être inversées en rechargeant la cellule. La cellule plomb-acide était la première cellule « secondaire ».
Cellule de Leclanché
En 1866, Georges Leclanché invente une batterie composée d’une anode de zinc et d’une cathode de dioxyde de manganèse enveloppées dans un matériau poreux, trempées dans un pot de solution de chlorure d’ammonium. La cathode au dioxyde de manganèse contient également un peu de carbone mélangé, ce qui améliore la conductivité et l’absorption. Il fournissait une tension de 1,4 volts. Cette cellule a connu un succès très rapide dans les domaines de la télégraphie, de la signalisation et de la cloche électrique.
La forme de cellule sèche a été utilisée pour alimenter les premiers téléphones – généralement à partir d’une boîte en bois adjacente fixée pour installer des piles avant que les téléphones ne puissent s’alimenter de la ligne téléphonique elle-même. La cellule de Leclanché ne peut pas fournir un courant soutenu très longtemps. Dans de longues conversations, la batterie s’épuise, rendant la conversation inaudible. En effet, certaines réactions chimiques dans la cellule augmentent la résistance interne et, par conséquent, abaissent la tension. Ces réactions s’inversent lorsque la batterie est laissée au repos, elle n’est donc bonne que pour une utilisation intermittente.
Cellule zinc-carbone, la première cellule sèche
De nombreux expérimentateurs ont essayé d’immobiliser l’électrolyte d’une cellule électrochimique pour le rendre plus pratique à utiliser. La pile Zamboni de 1812 est une batterie sèche haute tension mais capable de ne délivrer que des courants infimes. Diverses expériences ont été faites avec de la cellulose, de la sciure de bois, du verre filé, des fibres d’amiante et de la gélatine.
En 1886, Carl Gassner obtient un brevet allemand sur une variante de la cellule de Leclanché, connue sous le nom de cellule sèche car elle ne possède pas d’électrolyte liquide libre. Au lieu de cela, le chlorure d’ammonium est mélangé avec du plâtre de Paris pour créer une pâte, avec une petite quantité de chlorure de zinc ajoutée pour prolonger la durée de conservation. La cathode de dioxyde de manganèse est trempée dans cette pâte et les deux sont scellées dans une coque en zinc, qui fait également office d’anode. En novembre 1887, il obtient le brevet américain 373 064 pour le même appareil.
Contrairement aux cellules humides précédentes, la cellule sèche de Gassner est plus solide, ne nécessite pas d’entretien, ne se renverse pas et peut être utilisée dans n’importe quelle orientation. Il fournit un potentiel de 1,5 volts. Le premier modèle produit en série était le Columbia dry cell, commercialisé pour la première fois par la National Carbon Company en 1896. Le NCC a amélioré le modèle de Gassner en remplaçant le plâtre de Paris par du carton enroulé, une innovation qui laissait plus de place à la cathode et facilitait l’assemblage de la batterie. C’était la première batterie pratique pour les masses et rendait les appareils électriques portables pratiques, et a directement conduit à l’invention de la lampe de poche.
En parallèle, Wilhelm Hellesen développa en 1887 sa propre conception de cellules sèches. Il a été affirmé que la conception de Hellesen a précédé celle de Gassner.
En 1887, une batterie sèche a été développée par le Japonais Yai Sakizō, puis brevetée en 1892. En 1893, la batterie sèche de Yai Sakizō a été exposée à l’Exposition universelle de la Colombie et a suscité une attention internationale considérable.
NiCd, la première pile alcaline
En 1899, un scientifique suédois du nom de Waldemar Jungner a inventé la pile nickel–cadmium, une batterie rechargeable dotée d’électrodes au nickel et au cadmium dans une solution d’hydroxyde de potassium; la première pile à utiliser un électrolyte alcalin. Il a été commercialisé en Suède en 1910 et a atteint les États-Unis en 1946. Les premiers modèles étaient robustes et avaient une densité énergétique nettement meilleure que les batteries au plomb, mais étaient beaucoup plus chers.
20ème siècle: nouvelles technologies et ubiquité
Nickel-fer
Batteries nickel-fer fabriquées entre 1972 et 1975 sous la marque « Exide « , initialement développées en 1901 par Thomas Edison.
Waldemar Jungner a breveté une batterie nickel-fer en 1899, la même année que son brevet de batterie Ni-Cad, mais l’a trouvée inférieure à son homologue au cadmium et, par conséquent, n’a jamais pris la peine de la développer. Il produisait beaucoup plus d’hydrogène gazeux lors de la charge, ce qui signifie qu’il ne pouvait pas être scellé, et le processus de charge était moins efficace (il était cependant moins cher).
Voyant un moyen de réaliser un profit sur le marché déjà concurrentiel des batteries au plomb, Thomas Edison a travaillé dans les années 1890 au développement d’une batterie à base alcaline sur laquelle il pourrait obtenir un brevet. Edison pensait que s’il produisait des voitures électriques à batterie légères et durables deviendrait la norme, avec son entreprise comme principal fournisseur de batteries. Après de nombreuses expériences, et empruntant probablement à la conception de Jungner, il breveta une batterie nickel-fer à base alcaline en 1901. Cependant, les clients ont constaté que son premier modèle de batterie alcaline au nickel–fer était sujet à des fuites entraînant une courte durée de vie de la batterie, et qu’il ne surpassait pas beaucoup non plus la cellule au plomb. Bien qu’Edison ait pu produire un modèle plus fiable et plus puissant sept ans plus tard, à cette époque, le modèle T Ford, peu coûteux et fiable, avait fait des voitures à moteur à essence la norme. Néanmoins, la batterie d’Edison a connu un grand succès dans d’autres applications telles que les véhicules ferroviaires électriques et diesel-électriques, fournissant une alimentation de secours pour les signaux de passage à niveau, ou pour alimenter les lampes utilisées dans les mines.
Piles alcalines courantes
Jusqu’à la fin des années 1950, la batterie zinc–carbone a continué d’être une batterie primaire populaire, mais sa durée de vie relativement faible a entravé les ventes. En 1955, un ingénieur nommé Lewis Urry, travaillant pour Union Carbide au Laboratoire de recherche de la National Carbon Company Parma, a été chargé de trouver un moyen de prolonger la durée de vie des batteries zinc-carbone, mais Urry a décidé que les piles alcalines étaient plus prometteuses. Jusque-là, les piles alcalines de plus longue durée étaient trop chères. La batterie d’Urry se compose d’une cathode au dioxyde de manganèse et d’une anode en poudre de zinc avec un électrolyte alcalin. L’utilisation de zinc en poudre donne à l’anode une plus grande surface. Ces batteries ont été mises sur le marché en 1959.
Nickel-hydrogène et nickel-hydrure métallique
La batterie nickel-hydrogène est entrée sur le marché en tant que sous-système de stockage d’énergie pour les satellites de communication commerciaux.
Les premières batteries au nickel–hydrure métallique (NiMH) de qualité grand public pour des applications plus petites sont apparues sur le marché en 1989 en tant que variante de la batterie nickel–hydrogène des années 1970. Les batteries NiMH ont tendance à avoir une durée de vie plus longue que les batteries NiCd (et leur durée de vie continue d’augmenter à mesure que les fabricants expérimentent de nouveaux alliages) et, comme le cadmium est toxique, les batteries NiMH sont moins nocives pour l’environnement.
Batteries lithium et lithium-ion
Le lithium est le métal ayant la densité la plus faible et le potentiel électrochimique et le rapport énergie / poids les plus élevés. Le faible poids atomique et la petite taille de ses ions accélèrent également sa diffusion, suggérant qu’il ferait un matériau idéal pour les batteries.L’expérimentation des batteries au lithium a commencé en 1912 sous G.N. Lewis, mais les batteries au lithium commerciales n’ont été commercialisées que dans les années 1970. Les piles primaires au lithium de trois volts telles que le type CR123A et les piles boutons de trois volts sont encore largement utilisées, en particulier dans les appareils photo et les très petits appareils.
Trois développements importants concernant les batteries au lithium ont eu lieu dans les années 1980. En 1980, un chimiste américain, John B. Goodenough, a découvert la cathode LiCoO2 (plomb positif) et un chercheur marocain, Rachid Yazami, a découvert l’anode en graphite (plomb négatif) avec l’électrolyte solide. En 1981, les chimistes japonais Tokio Yamabe et Shizukuni Yata ont découvert un nouveau PAS nano-carbonacieux (polyacène) et ont constaté qu’il était très efficace pour l’anode de l’électrolyte liquide conventionnel. Cela a conduit une équipe de recherche dirigée par Akira Yoshino d’Asahi Chemical, au Japon, à construire le premier prototype de batterie lithium-ion en 1985, une version rechargeable et plus stable de la batterie au lithium; Sony a commercialisé la batterie lithium-ion en 1991.
En 1997, la batterie au lithium polymère a été publiée par Sony et Asahi Kasei. Ces batteries maintiennent leur électrolyte dans un composite polymère solide plutôt que dans un solvant liquide, et les électrodes et les séparateurs sont stratifiés les uns aux autres. Cette dernière différence permet d’enfermer la batterie dans un emballage souple au lieu d’un boîtier métallique rigide, ce qui signifie que de telles batteries peuvent être spécifiquement conformées pour s’adapter à un dispositif particulier. Cet avantage a favorisé les batteries au lithium polymère dans la conception d’appareils électroniques portables tels que les téléphones mobiles et les assistants numériques personnels, et d’avions radiocommandés, car de telles batteries permettent une conception plus flexible et compacte. Ils ont généralement une densité d’énergie inférieure à celle des batteries lithium-ion normales.
En 2019, John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham et Akira Yoshino, ont reçu le Prix Nobel de chimie 2019, pour leur développement de batteries lithium-ion.