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Les piles électro-chimiques

Les premiers générateurs de courant - La pile de Bagdad ?

Au milieu du siècle dernier, l'idée que la pile électrochimique était l'invention du savant Volta était assez universellement admise.

Personne ne soupçonnait alors que de tels dispositifs auraient pu exister plus tôt et auraient été utilisés par l'homme au cours de civilisations antérieures. Les grecs, les romains n'ont semble-t-il pas laissé d'information sur de tels appareils.

pile de Bagdad

En 1936, les fouilles archéologiques d'une nécropole au sud-est de Bagdad mettent au jour une curieuse poterie, parmi plusieurs centaines d'objets, verreries, figurines de terre, tablettes gravées, etc. que l'on peut dater de la période parthe entre le premier siècle avant et le premier siècle après Jésus-Christ.

Des vases semblables seront trouvés dans la zone de Khujut Rabu, là où se trouvaient les cités anciennes de Ctesiphon et Seleucia, construites sur les 2 rives du Tigre, creuset de la civilisation Parthes, descendants des Scythes.

De ces deux cités pillées par les arabes au 7ième siècles pour bâtir Bagdad, ne reste visible aujourd'hui que la grande arche Taq-i Kisra dans la ville irakienne actuelle de Salman Pak.

Mais la ville de Ctesiphon, qui couvrait une surface 4 fois plus grande que Rome à l'époque de son apogée, était une ville très riche où travaillaient de nombreux bijoutiers et orfèvres.

Deux ans plus tard, en 1938, un archéologue autrichien, le Dr Wilhelm König, redécouvre une de ces poteries qui dormait au fond d'une cave du musée de Bagdad.

pile de Bagdad

Il s'agit de petits vases en terre cuite d'une vingtaine de centimètres de hauteur sur environ 7,5 centimètres de diamètre. Une tige métallique, sans doute du fer, dépasse du haut du col de la poterie. Après avoir enlevé le bouchon enrobé de bitume (sans doute du "Bitume de Judée" que les peuples sumériens ramassaient sur les bords de la Mer Morte) qui maintenait cette tige, il découvre qu'elle descend profondément dans le vase et est entourée par un cylindre de métal recouvert d'une couche d'oxyde bleuté qui laisse supposer que le matériau contient des composés cuivreux et argentiques. Ce cylindre est isolé de la tige à sa base par un tampon en bitume.

König estime que ces objets pourraient avoir 2 000 ans et il publie, vers 1940, un article sur le sujet dans lequel il émet l'hypothèse que ces objets pourraient être des piles électriques.

Il appuie cette idée sur l'observation d'une technique rudimentaire de galvanoplastie, utilisée à son époque par les orfèvres de Bagdad (mais aussi d'autres pays) pour dorer les bijoux, et à laquelle il attribue, à tort, une origine très ancienne.

Il faudra attende la fin des hostilités pour que les archéologues et les savants s'intéressent à nouveau à ces vases mystérieux.

Willard F. M. Gray du General Electric High Voltage Laboratory de Pittsfield, dans le Massachusetts et d'autres spécialistes qui ont examiné ces objets partagent eux aussi l'idée qu'il devrait s'agir de piles électriques.

En utilisant du vinaigre issu de jus de raisin comme électrolyte ces savants ont effectivement obtenu avec ces vases un courant électrique, de l'ordre de 0,5 et 1,5 volts, montrant ainsi que ces objets jusque là mystérieux pouvaient bel et bien être des piles électriques au sens ou nous l'entendons aujourd'hui.

Le Dr. Arne Eggebrecht, chercheur allemand reprit l'idée que ces piles étaient utilisées par les bijoutiers de l'époque pour recouvrir d'or ou d'argent des objets en cuivre et qu'ils auraient ainsi découvert la galvanoplastie bien avant les années 1830, date à laquelle cette technique va être développée dans les pays industriels.

Reste que la dorure (ou l'argenture) demande la mise en oeuvre de sels solubles pour constituer le bain électrolytique (cyanure d'or en particulier) et qu'aucun document historique ne mentionne l'existence de ces composés chimiques dont il est quasi exclu que la découverte puisse être antérieure aux années 1830. On ne peut pas non plus imaginer qu'une utilisation assez large de cette technique n'ait pas conduit à développer des piles plus puissantes. Or il n'existe nul trace de tels appareils dans le monde antique.

L'hypothèse de la pile n'est donc pas aujourd'hui partagée par l'ensemble de la communauté scientifique. Un certains nombre de chercheurs penseraient plutôt que ces petites jarres en terre servaient au transport de documents écrits (secrets ou religieux).

Pour conclure, reprenons quelques lignes du texte de Marie-Hélène Wronecki, Christine Blondel et Bertrand Wolff, paru dans Parcours Pédagogique - Mythes et légendes de l'Electricité et du Magnétisme :

.... Il serait cependant étonnant que cette technologie (la galvanoplastie) soit restée si confidentielle qu'elle n'ait laissé aucune trace, entraîné aucun témoignage de la part de voyageurs étrangers, et enfin qu'elle ait disparu pendant près de deux millénaires. L'hypothèse de la pile, qui pose, comme on l'a vu, de sérieux problèmes techniques, même si l'expérience est envisageable, reste à ce jour historiquement, archéologiquement et scientifiquement peu vraisemblable.

La pile de Volta

pile batterie

Les premiers générateurs électrochimiques utilisés pour faire des expériences scientifiques au cours du 18 ième siècle, étaient dérivées de la pile de Volta.


L'image ci-contre qui date des années 1870, montre une batterie de piles élémentaires composées d'électrodes cuivre/zinc dans une solution d'eau acidulée.

Le courant est extrait à l'aide de 2 fils de cuivre appelés à l'époque  "rhéophores"   mot tiré du grec et qui signifie "porte-courant".

Ce terme a aujourd'hui complètement disparu de notre vocabulaire.


Modifications apportées à la Pile de Volta

Différentes améliorations ont été apportées à la pile de Volta. Le nombre des inventions étant très grand, seules quelques solutions parmi les plus représentatives sont décrites ici :

Pile à auge (1801)

Pile à auge

Dans la pile à auge due à CRUIKSHANK, les lames de zinc et de cuivre sont disposées verticalement dans un bac à parois isolantes rempli d'eau acidulée (on disait au XIXième siècle de l'eau aiguisée d'acide sulfurique).

Une telle pile constituée de 200 auges et de 2 000 couples avait été acquise en 1813 par l'institut Royal de Londres à la suite d'une souscription .

C'est grâce à cette pile que DAVY et FARADAY purent réaliser leurs expériences en électrochimie.

Pile à auges utilisée par Davy et Faraday

A la demande explicite de l'Empereur Napoléon Bonaparte, une pile du même type fut réalisée à l'Ecole Polytechnique. Elle fut utilisée par de nombreux savants et par Ampère lui-même pour des expérimentations scientifiques.

Il semblerait que la plus grosse batterie de piles construite à la fin du 19ième siècle soit celle du chimiste et astronome anglais Warren de la Rue (1815-1889) qui, en collaboration avec le Dr Hugo Muller, mena des expériences sur les décharges électriques dans des gaz en utilisant une batterie de 24 400 cellules.

Pile en hélice (1819)

Pile en hélice


Dans la pile en hélice imaginée par le chimiste américain Robert HARE (1781-1858), les lames de cuivre et de zinc, séparée par des lanières de drap, sont enroulées et placées dans un récipient plein d'eau acidulée.


Robert HARE est aussi l'inventeur du chalumeau oxhydrique en 1802 et a été un des premiers à utiliser les mesures électriques en analyse chimique (électrode de Hg).


Pile de Wollaston (1815)

Pile WOLLASTON

Afin de retarder la polarisation de la pile voltaïque, la chimiste anglais William Hyde WOLLASTON (1766-1828) proposa une solution dans laquelle l'électrode de cuivre entoure l'électrode de zinc.

De cette façon, la surface de l'électrode est doublée et le fonctionnement de la pile est prolongé.

Plusieurs éléments sont montés en série pour obtenir la tension désirée.

D'autres solutions ont été proposées telle la pile de MÜNCH qui est une variante de la pile de Wollaston dans laquelle les lames de cuivre sont pliées en U dans le sens vertical et viennent s'intercaler entre les lames de zinc.


Mais la pile de Volta et ses dérivées présentent toutes l'inconvénient de se polariser rapidement et de s'arrêter de fonctionner.


D'autres types de piles ont été inventés qui peuvent se classer en deux familles principales :

- Les piles impolarisables dans lesquelles le passage du courant ne modifie pas la nature des contacts électrochimiques,

- Les piles à dépolarisant dans lesquelles l'hydrogène qui se forme au pôle positif doit être réduit par l'oxygène sous peine de voir la pile cesser de fonctionner (polarisation).

Les piles actuelles font presque toutes partie de cette deuxième famille.


Les piles impolarisables

Pile au bichromate de potassium

Les piles au bichromate (ou dichromate pour les puristes) constituent une première grande famille de piles.

L'ancêtre de ces piles était la pile au bichromate à 2 liquides de FULLER

Pile bouteille ou de GRENET

Pile Bouteille ou de Grenet
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La pile au bichromate développée par POGGENDORFF (1842) ou sa variante dite pile de GRENET est composée d'un seul électrolyte.

Dans cette pile, l'électrode en zinc amalgamé est mobile et est introduite dans l'électrolyte au moment de l'emploi. Elle est ensuite relevée à la main pour éviter une corrosion du métal.

Grenet

La pile brevetée par le Dr A. Vincent était une variante de la pile de Grenet qui était équipée d'un syphon latéral qui permettait de remplacer l'électrolyte au fur et à mesure de son usure pendant le fonctionnement de la pile.


On trouvait dans le commerce des piles de différentes tailles suivant les applications à alimenter.

Les plus petites piles que l'on retrouve avaient un volume d'environ 1/4 de litre et les plus grosses pouvaient avoir une hauteur de plus de 30 cm et contenir plusieurs litres d'électrolyte.

poison
K2Cr2O7
bichromate de potassium

Ce sont aujourd'hui de beaux objets de collection.


ATTENTION : le bichromate de potassium utilisé en solution pour préparer l'électrolyte de ces piles est un produit fortement toxique et polluant.

De couleur rouge, comme on le voit sur la photo ci-contre, il est à manipuler avec précaution et laisse des taches indélébiles sur les vêtements.

La pile au bichromate a ainsi été longtemps considérée comme une excellente pile de laboratoire pour sa puissance et sa tension élevée (fem de 2 V), mais elle a été peu utilisée en tant que pile d'usage domestique compte tenu de la toxicité élevée de son électrolyte.

Différents modèles de piles au bichromate à un seul liquide ont été développés pour des applications scientifiques ou industrielles à la fin du 19ième siècle.

La pile VOISIN et DRONIER est une autre variante de la pile bouteille.

La pile "à treuil" inventée par Gustave TROUVE (1838-1902) constructeur français d'instruments scientifiques en est un autre exemple. Les électrodes de cette pile étaient équipées d'un système de relevage à manivelle.

Pile RADIGUET

Pile Radiguet

C'est une pile à deux électrolytes : eau acidulée et bichromate de potassium.

Elle dispose d'un support à amalgamer qui permet de supprimer le relevage de l'électrode en zinc.

Ce dispositif entretient la couche de mercure à la surface du zinc.

De plus il permet d'utiliser des déchets de ce métal (rognures ou billes de zinc) que l'on introduit périodiquement dans la pile comme on met du charbon dans un fourneau.

Une telle pile avec une fem d'environ 2,1 V est capable de débiter plus de 1 Ampère.

Il existe bien d'autres types de piles au bichromate à 2 liquides.

Pile GUIRAUD

C'est une pile à deux électrolytes : eau salée et bichromate de potassium.

pile GUIRAUD
Cette pile comporte un vase poreux de diamètre relativement grand qui sépare les deux électrolytes.

Le dépolarisant est à base de bichromate et est mis à l'intérieur du vase poreux. Une électrode en charbon composé d'un faisceau de lames réunies par une pièce spéciale en laiton plonge dans ce liquide.

Le zinc circulaire, non amalgamé, plonge dans une solution de chlorure de sodium (sel marin) à raison de 325 g /l. Il est suspendu par des crochets.

C'était une pile "sans mercure" et déjà écologique pour l'époque ... bien que le bichromate ne soit pas un produit facile à manipuler.

Cette pile était vendue pour ses bonnes caractéristiques de stabilité dans le temps et le prix de revient du courant produit était "5 à 6 fois moins élevé que les autres types de piles" suivant des tests réalisés à l'époque.

Son inventeur avait reçu une médaille d'or au concours de Inventions de Marseille de 1909.

La force électromotrice de cet élément est de 2V.



Les piles au sulfate de cuivre (1830)

Elles constituent une autre grande famille de piles à deux liquides : eau acidulée et solution de sulfate de Cuivre.

Cette pile a été imaginée par Becquerel vers 1829.

Un ancêtre de cette pile est sans doute l'électrotype de Smée utilisé dans les premiers temps de la galvanoplastie pour déposer du cuivre. Dans ce montage, la pièce à cuivrer est plongée dans une solution de sulfate de cuivre et constitue un des éléments d'un circuit voltaïque qui est refermé sur une électrode de zinc.

Pile Daniell

Parmi les piles au sulfates de cuivre, on trouve la pile DANIELL (1836) qui a servi longtemps d'étalon de référence compte tenu de sa constance et de sa force électromotrice voisine de 1 Volt.

La pile DANIELL comporte un vase poreux (en terre de pipe) qui limite le courant à quelques dixièmes d'ampère.

Dans sa variante, la pile CARRE, le vase poreux était remplacé par une membrane de parchemin ce qui permettait des débits jusqu'à 15 ampères.

Pile CALLAUD (et sa variante la pile de HILL)

Pile Callaud
Cliquer sur l'image pour voir le détail

Comme la pile Daniell, elle contient deux électrolytes : une solution de sulfate de cuivre et une d'eau acidulée (H2SO4).

Le vase poreux est supprimé et les 2 solutions sont séparées par simple différence de densité.

Afin d'éviter un mélange des deux solutions, la pile doit rester immobile et doit débiter de façon quasi continue d'où un emploi bien adapté en téléphonie.

Ces piles ont été utilisées,par le Service des Téléphones et les compagnies de Chemin de Fer pendant de nombreuses décennies à partir des années 1860.

Elles ont été produites en France à des milliers d'exemplaire.

Il est encore possible de trouver des bocaux en verre, mais les structures internes souvent corrodées sont de nos jours quasi introuvables.

Des variantes de cette pile au sulfate de cuivre (blue Vitriol) ont été produites et très employées aux Etats-Unis.

Du fait de son principe de fonctionnement, cette pile est connue dans ce pays sous le nom de Gravity Battery.

Pile de MEIDINGER

Un des problèmes de cette pile est l'appauvrissement progressif de l'électrolyte en sulfate de cuivre.

Pour assurer un service régulier et de longue durée à cette pile, il est nécessaire de rajouter périodiquement des cristaux de sulfate à la solution.

Une "alimentation automatique" a été proposée par l'ingénieur allemand Meidinger.

L'image ci-dessous montre cette variante appelée de nos jours pile de MEIDINGER.

Un vase renversé, à goulot étroit, rempli de cristaux de sulfate de cuivre permet de maintenir une concentration constante.

Ce type de matériel était utilisé en France par la compagnie P-L-M pour actionner les grosses cloches d'annonce des trains.

Elle a été aussi très largement utilisée en Allemagne.

L'entretien de ces piles était globalement moins coûteux que celui des piles CALLAUD : un entretien annuel était suffisant, alors que les piles CALLAUD devaient être démontées et nettoyées tous les 3 mois.

Par contre, leur prix d'achat était 3 fois supérieur.

La force électromotrice de ces éléments était de 1,08V.

Diverses autres variantes de ce type de pile ont été proposés parmi lesquels les éléments de VERITE, MINOTTO, ou l'élément de ESSICK dans lequel les électrolytes sont portés à 70°C par un chauffage modéré, de façon à augmenter la puissance spécifique de la pile.

Vers 1867, le prêtre italien Giuseppe CANDIDO, fit breveter une autre variante dite pile à diaphragme régulateur qui reprenait les avantages respectifs de la pile de Callaud et de celle de Minotto.


Pile à dépolarisant nitrique

Pile BUNSEN

Le premier modèle de pile à dépolarisant nitrique remonte à 1839 et est dû au physicien William Robert GROVE (1811-1896).

Le pôle négatif de cette pile est constitué, comme pour la pile DANIELL, d'une électrode en zinc.

Le pôle positif  est constitué par une électrode de platine plongeant dans une solution d'acide nitrique (on disait acide azotique à l'époque).

Sa dérivée, la pile BUNSEN (1841), diffère au niveau du pôle positif qui est constitué d'un charbon de cornue.

Ces piles dont la force électro-motrice était relativement élevée (1,9 V contre 1,5 pour la pile Leclanché) étaient d'usage incommode du fait d'un dégagement de vapeurs nitreuses en fonctionnement.

Différents chercheurs étudièrent la" pile à acide azotique" parmi lesquels on peut citer Henri Adolphe Archereau (1842), Callan (1847) , Christian Schönbein (1799-1868) et Hawkins, Alfred Niaudet (1835-1883), Tommasi et enfin d'Arsonval.


Autres piles

La pile de Smée.

Cette pile très simple a été peu employée dans la radio, mais était d'utilisation courante dans les petits ateliers de galvanoplastie jusque dans les années 1925/1930.

Elle se compose d'une cuve carrée en grès dans laquelle on verse un électrolyte composé d'une solution à 10% d'acide sulfurique du commerce.

Dans cette solution plongent 2 plaques épaisses en zinc amalgamé et entre ces 2 plaques, une plaque d'argent platiné ou, ce qui est moins cher, une plaque de cuivre argenté puis platiné.

Le platinage généralement rugueux donne une grande surface à cette électrode ce qui retarde la polarisation de cette pile.

la fem de cet élément est d'environ 1 V, ce qui nécessite d'en installer le double que pour une pile au bichromate pour obtenir la même tension.

Les piles à dépolarisant solide

Pile à oxyde de cuivre de Lalande et Chaperon

Pile Lalande

Cette pile utilise comme "liquide excitateur" (nous disons électrolyte de nos jours) une solution de potasse à 30 ou 40 %.

Le dépolarisant est de l'oxyde de cuivre qui peut être sous forme de poudre ou de briquette de poudre comprimée.

L'électrode négative est un barreau de zinc amalgamé et l'électrode positive est un conteneur en acier rempli d'oxyde de cuivre.

Cette pile est d'un fonctionnement remarquable, mais la force électromotrice d'un élément n'est pas très élevée et ne dépasse pas 0,9 V.

En France, cette pile a été produite et commercialisée à partir des années 1885 par différentes entreprises et en particulier par la Société DE BRANVILLE et Co à Paris qui fournissait l'Administration des Postes et Télégraphes.

Elle a été produite en grande série, à la même époque, par Edison aux Etats-Unis .

Cliquer ici pour voir différents modèles de piles américaines.


Vous avez dit LECLANCHE !

En 1877, Georges LECLANCHE (1839-1882) met au point une pile électrique d'usage facile et capable d'un fonctionnement prolongé.

Contrairement à la pile à oxyde de cuivre, cette pile utilise comme dépolarisant du bioxyde de manganèse - MnO2.

Piles Leclanché

Le pôle négatif (-) est constitué par un bâton de zinc amalgamé plongeant dans un électrolyte qui est une solution de chlorure d'ammonium (NH4Cl) dans l'eau - 80 à 100g de sel pour un modèle standard.

Le pôle positif (+) est un barreau de charbon enfermé dans un vase poreux rempli d'un mélange de charbon en poudre et de bioxyde de manganèse (pile de droite).

Ce barreau de charbon est obtenu en cuisant dans un four chauffé au gaz un barreau cru extrudé composé à partir d'une pâte comprenant principalement de la poudre de coke de pétrole ou d’anthracite, mélangée à du brai (résidu de distillation de la houille) qui sert de liant.

Une variante consiste à supprimer le vase poreux et à le remplacer par un sac (pile à sac - photo de gauche). Cette conception permettait de diminuer la résistance électrique interne de la pile et d'augmenter le débit (courant) en limitant les pertes de puissance. Ces piles dites à grand débit ont été utilisées par l'Administration des PTT au début du 20ième siècle.

La pile dite pile à agglomérés est une autre évolution de la pile Leclanché.

Elle a été produite sous différentes formes en France et en Europe et fabriquée aussi sous licence aux Etats-Unis. La pile GONDA est un exemple de ces productions outre-atlantique de la fin du 19 ième siècle.

Voici une autre production de piles Leclanché fabriquées sous licence aux Etats-Unis à la même époque et destinées à un usage dans les Compagnies de télégraphe-téléphone. Bien que sur le modèle présenté, les composants internes soient absents, il s'agit vraisemblablement d'une pile de conception tout à fait similaire à la pile GONDA présentée ci-dessus.

pile leclanche

Chaque élément de pile fournit une tension moyenne d'environ 1.25 V (de 1.5 à 1.15 V suivant l'état d'usure de la pile). La résistance interne est de 1.5 à 6 Ohms pour la pile à vase poreux et inférieure à 0.5 Ohms pour la pile à sac ou la pile à agglomérés.

Le débit maximum dépend de la taille de la pile et peut aller jusqu'à plusieurs centaines de mA. La capacité varie de 25 à 60 ampère-heure pour les fabrications commerciales de taille courante.

Les piles ci-contre destinées à des téléphones jouets (Coffret Péricaud vers 1910) étaient de petite taille (10 cm de hauteur environ) et donc de faible capacité. Elles étaient fournies avec une charge de sel contenue dans un petit flacon qui faisait parti du coffret et permettait, en ajoutant de l'eau, de préparer l'électrolyte.

L'entretien de la pile Leclanché est simple. Il se limite à une surveillance périodique du niveau de l'électrolyte et de l'usure du bâton de zinc. Les documents d'entretien préconisaient de renouveler la solution tous les 6 mois, de laver le vase et de gratter le bâton de zinc pour enlever les adhérences blanches de chlorure de zinc.

Le transport de ces piles restait toutefois un problème.

Des progrès rapides vont permettre de figer l'électrolyte et de rendre l'ensemble facilement utilisable dans des applications domestiques et industrielles.

Dans la pile HYDRA, l'électrolyte est stabilisé par de la tourbe.

Dans la pile ETOILE, le vase sera rempli de sciure de bois imprégné de chlorure d'ammonium.

D'autres constructeurs utilisent du cofferdam (poudre obtenue par pulvérisation de la fibre extérieure des noix de coco).

Plus tard, le gel de l'électrolyte est obtenu en incorporant au liquide de l'agar-agar, de l'amidon ou de la gélose à l'exemple des éléments DELAFON ou des "pile humide" MELASINE.

Un montage en série de plusieurs éléments permet d'augmenter la tension de la batterie.

En associant 3 éléments la tension de l'ensemble est de 4,5V. C'est la tension courante des piles pour lampes de poche.

Pile WONDER type B

En montant en série plus de 60 éléments il est possible de constituer une pile "haute tension" de 90 V. 

Ce type de piles était commercialisé pour des applications dans la TSF dans les années 1920.

Elles permettaient de disposer d'une tension suffisante pour alimenter les premiers postes à batteries (tension dite "de plaque").

L'ensemble des piles élémentaires était enfermé dans une boite en carton de la dimension d'une boite à sucres, équipée de bornes sur le dessus pour brancher les fils du poste de TSF.

L'allumage des voitures automobiles américaines, dans les années 1910, était obtenu avec des batteries de piles sèches "RELOFF" capable de débiter 30 à 35 ampères.

Pile LECLANCHE-BARBIER

La pile LECLANCHE-BARBIER est une variante de la pile LECLANCHE mise au point vers 1878.

Pile LECLANCHE-BARBIER

Dans cette pile, le charbon est supprimé et remplacé par un cylindre creux composé d'un mélange de peroxyde de manganèse et de graphite aggloméré sous pression avec de la gomme laque.

L'électrode en zinc (pôle -) est placée au centre du vase.

La fabrication en grande série d'électrodes creuses avait demandé une mise au point assez difficile et constituait l'essentiel du brevet.

Même si les résultats de cet élément ne donnèrent pas toutes les satisfactions attendues, l'agglomération sous pression du dépolarisant avait permit l'augmenter la capacité des piles et le remplacement les plaques de charbon par des crayons moins fragiles avait conduit à des baisses de coût de production.

N'oublions pas que nous sommes à l'époque de l'éclairage électrique à arc, gros consommateur de charbons cylindriques quasi incassables.

De plus, l'emplacement central de l'électrode en zinc permettait une meilleure fermeture et la diminution de la perte d'eau par évaporation ce qui était un point positif pour la maintenance.

Cette pile a été fabriquée dans le monde entier sous des formes variées. Voici un exemple de pile fabriquée aux Etats-Unis dans les années 1920.

Dans sa forme moderne, le vase en verre à disparu et l'électrode en zinc constitue l'enveloppe externe de l'élément de pile.

La pile Leclanché va devenir d'emploi courant dans des domaines aussi variés que l'éclairage (lampes de poche), la téléphonie, la surveillance (sonneries d'appel en milieu hospitalier ou dans l'hôtellerie).

pile Ever-Ready

Pile Ever-Ready

Des piles "amorçables", de petites dimensions, sont aussi proposées à la vente, telles cette pile de marque Ever-Ready qui était fabriquée et commercialisée en Angleterre dans les années 1920.

Un tube de verre, le charbon un tube de zinc et un sachet de produit chimique sont fournis dans une boite avec une notice d'emploi.

Dans l'état "non monté" présenté sur la vue de droite, la pile peut rester stockée très longtemps sans s'abimer. Elle sera activée uniquement le jour où l'utilisateur en aura besoin, en la remplissant d'un électrolyte composé en mélangeant la dose de poudre (chlorure d'ammonium cristalisé) livrée dans le kit avec la quantité d'eau spécifiée sur la notice.

Cette pile à l'avantage de pouvoir rester stockée pendant une longue période sans s'user ce qui pouvait s'avérer un avantage intéressant pour l'utilisateur.

Il ne semble pas pourtant que cette pile ait eu un très grand succès commercial. On ne saura sans doute jamais pourquoi exactement. Une des raisons est sans doute l'arrivée sur le marché de la "pile sèche" d'emploi beaucoup plus pratique.

l'image ci-contre montre l'ensemble monté.

Il suffit de rajouter un peu d'électrolyte et la pile est prête à l'emploi.


Sur nos murs, des plaques publicitaires anciennes indiquent encore un lieu de vente proche de ces composants à durée de vie limitée.


Les piles à dépolarisation par l'air

Pile FERY

Pour une raison historique, la pile FERY mérite d'être évoquée. Cette pile a été développée pendant la guerre de 14-18, à la demande du Général FERRIE, pour satisfaire les besoins de la Télégraphie Militaire.

A cette époque le bioxyde de manganèse nécessaire à la fabrication des piles de type Leclanché provenait de gisements naturels de pyrolusite (bioxyde double de manganèse et de fer) et exigeait un minerai de grande pureté chimique.

Un tel minerai, rare en France, était importé d'Allemagne et était devenue, du fait de la guerre, une matière première sensible.

Coupe schématique d'une pile Fery

Compte tenu de ces restrictions d'approvisionnement, Charles FERY  examine s'il ne serait pas possible de remplacer ce bioxyde par l'oxygène de l'air qui est présent partout et qui est, de plus, totalement gratuit.

Il met au point une pile d'un nouveau type "à dépolarisant par l'air" dont le fonctionnement s'avère remarquable et le coût de production et d'entretien tout à fait satisfaisant.

Le pôle + de cette pile est constitué d'un tube de charbon poreux qui dépasse largement au dessus du vase et dans lesquels se fait la recombinaison de l'hydrogène (naissant) avec de l'oxygène présent.

Le zinc est placé au fond du vase et dans ces conditions, il n'est pas attaqué par l'oxygène de l'air.

L'hydrogène est généré dans la partie basse du charbon et disparaît en période de repos de la pile sous l'effet de l'activation d'une "pile interne" qui le recombine en eau, en partie haute du charbon, près de la surface chargée en oxygène de l'air.

Les piles FERY sont caractérisées par une très grande capacité massique.

Il était possible d'obtenir au minimum 90 ampères-heures avec 100 grammes de sel d'ammoniac pour une pile dont le poids ne dépassait pas 2,1 Kg.

L'emploi de ces piles n'est plus, bien évidemment, d'actualité.

Leur emploi était cependant très répandue dans les années 20 comme en témoigne la publicité d'époque ci-dessous.

Publicité pour les piles FERY (Illustration 1923)
Cliquer sur l'image pour voir une pile FERY N° 4

Vers 1920, la Société GAIFFE-GALLOT avait vendu à l'Administration française plus de 1 500 000 piles à dépolarisation par l'air.

Batteries de piles Fery
Cliquez sur l'image pour voir une batterie 00/5
Autres piles à dépolarisation par l'air
Différents composants d'une pile AD

La pile AD commercialisée par la société Le Carbone ou la pile OXAIR de Leclanché sont des piles à dépolarisation par l'air dérivée de la pile Féry.

L'image ci-contre montre les différents composants d'une pile AD.

L'électrolyte est une solution de chlorure d'ammonium comme la pile Leclanché.


Pile Fulmen
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La pile FITCH commercialisée aux Etats-Unis est une autre variante de la pile à dépolarisation par l'air assez proche de la pile AD.

La pile LACLEDE, elle aussi commercialisée aux Etats-Unis est une autre variante de cette famille de piles à électrode cylindrique.

De nombreuses piles à dépolarisation par l'air ont aussi été fabriquées en Europe.

La pile REGENOX produite par la Société FULMEN en est un exemple.

Cette pile "sèche" était destinée à l'alimentation de lampes de poches.

Le boîtier de ces lampes de poches, en bakélite, avait la particularité d'être pourvu d'ouies à l'avant et à l'arrière pour assurer la circulation de l'air autour de la pile.


Les piles étanches

Pile à sac hermétique système BEAUTEY

Afin d'améliorer la transportabilité des piles, certains constructeurs ont imaginé des piles "hermétiques et démontables" qui enferment l'électrolyte dans un vase étanche.

L'image ci-contre montre une pile de ce type : Il s'agit d'une Pile système BEAUTEY à usage multiple (sonnerie, tableau indicateur, téléphone, voiturette électrique et tricycle).

Cette pile existait en deux versions : vase en carton laqué ou vase en celluloïd.

"En remplaçant une pile sèche par une pile liquide hermétique démontable, on réalise une économie de 80%" disait une publicité d'époque (année 1909).

Son usage pour la TSF n'était pas encore cité.

L'histoire des piles est longue et beaucoup d'inventeurs ont cherché à améliorer les performances et les capacités de ces composants ainsi que leur facilité d'entretien, sans oublier la durée de vie, facteurs lié à l'aspect économique de leur utilisation.

Piles diverses

C'est ainsi que sont nées un nombre important de dérivés de la pile Leclanché. On connaît la pile Buchin-Tricoche à crayon de zinc et de charbon, la pile Maiche à dépolarisation par l'air, la pile Goodwin à charbons rayonnés de grande surface et bien d'autres types qui ont fait l'objet de brevets mais dont l'exploitation industrielle est restée très limitée, voire inexistante.

Des solutions techniques complexes ont été proposées pour permettre un emploi sécurisé des piles dans des installations de puissance.

Il existe bien sûr de nos jours différentes sortes de piles qui sont destinées à des usages généraux (piles ordinaires ou alcalines) ou à des usages plus spécifiques telles les piles "au mercure", au lithium employées sur les appareils électroniques ou les montres ou encore à des usages très particuliers civiles ou militaires (piles amorçables, piles rechargeables, piles à combustibles etc...).

Les progrès récents faits dans le domaine des piles sont à la base du développement de l'électronique et de la micro-électronique.

Si vous voulez construire une pile simple cliquez ici.


Piles salines de marque PERTRIX
A gauche fabrication France vers 1960
A droite fabrication Allemagne vers 1940
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La Société Pertrix (Pertrix Chemische Fabrik AG) a été fondée vers 1917 à Hamburg et produisait des piles sèches et des batteries.

A partir de 1923, elle fabriquera aussi des lampes de poche dans une nouvelle usine construite à Berlin ainsi que des batteries pour la télégraphie et les transmissions militaires.

Après la guerre, vers 1960, une unité de fabrication est crée à Breitenbach en Alsace. Elle sera reprise par Varta en 1969 puis par la Société américaine RAYOVAC sous le nom de Société des Piles d'Alsace.

L'usine sera définitivement fermée en février 2005.

Parmi les fabricants de piles sèches d'usage courant ou industriel les plus connus en France on peut citer : CIPEL, LECLANCHE, SAFT, WONDER, PERTRIX, VARTA, BEREC, BURGESS, EVEREADY, RAY O VAC


Pile Wonder retrouvée dans une brocante en 2013. La date de péremption de cet objet surprend compte tenu de l'état du matériel non attaqué par la corrosion pour les parties métalliques.


Petite page d'histoire

L'industrie des piles présentera un intérêt stratégique majeur pendant les deux grandes guerres et en particulier pendant la deuxième guerre mondiale.

Pendant ces deux conflits, les militaires avaient un besoin extrêmement important en source de courant portable, que ce soit pour assurer le fonctionnement de matériels de guerre ou de matériels de transmission radio-téléphoniques, ou bien encore de matériels de surveillance, de repérage ou de navigation.

Si le besoin était resté relativement limité lors de la première guerre mondiale, il était devenu primordial lors de la deuxième qui mettait en oeuvre des matériels plus complexes et plus électromécanisés.

Il est certain que de nos jours, un conflit ne pourrait être mené sans un support logistique important en matériels de production d'électricité que se soit des générateurs de type électrogènes, des batteries ou des piles, de la simple pile de lampe de poche à la pile thermoamorçable "one shot" utilisable une seule fois dans les missiles.

Memorial

Pendant la deuxième guerre mondiale, en Allemagne, les nazis qui avaient un besoin énorme en piles et batteries, pour les sous-marins, les torpilles (U-Bootbatterien und Torpedos), les premiers missiles (Fliegerfaust) et pour "l'arme miracle" le V2 avaient fait de cette industrie une priorité majeure.

C'est pour cette raison que le 3ième Reich nomma Günther Quandt (le mari de Magda - Maria Magdalena Behrend - la grande mère du Reich, qui divorsera pour se remarier avec Goebbels le ministre de la propagande du 3 ième Reich et l'ami de Viktor Haïm Arlozoroff, responsable des relations politiques sionistes), patron de la société AFA (Accumulatoren Fabrik Aktiengesellschaft, qui deviendra après la guerre VARTA), chef de l'économie de guerre. Cet industriel qui avait délibérément choisi son camp, alimentera pendant toute la guerre l'armée nazi (la Kriegsmarine bien sur, mais aussi l'aviation et l'armée de terre) en piles mais aussi en armement et même habillement à partir de productions faites dans les usines de son groupe. Les ouviers, pour beaucoup réquisitionnés dans les camps de la mort, travaillaient jours et nuits dans des conditions inhumaines (manipulation de produits toxiques, d'acides, de plomb, ....), sans protection aucune.

Les historiens considèrent que cette production forcée a conduit directement et indirectement à la mort de plusieurs milliers de personnes sur l'ensemble des usines dispersées en Europe (Allemagne et pays de l'Est essentiellement).

A Hannover-Stöcken où se trouvait la plus grande usine du groupe qui produisait des piles et accumulateurs pour sous-marins (Akkumulatorenwerk Stöcken), un monument aux "Travailleurs de force" de la fabrique morts au cours de la guerre a été érigé en 1999 (kommando de 1500 prisonniers du camp de KZ Stöcken qui était dépendant du camp principal de Neuengamme sur la rivière Elbe au Sud-Est de Hamburg).


Exemple de batteries AFA utilisées dans les sous-marins allemands vers 1942 et fabriquées à Hannover-Stöcken

Les Thermo-piles

En dehors des piles électrochimiques dont nous venons de voir quelques réalisations anciennes, il est aussi possible de produire du courant à partir de piles qui fonctionnent par chauffage de couples de matériaux de nature différente (thermocouples).

C'est ce que l'on appelle les thermopiles. Cette famille de générateurs est très vaste et fait l'objet d'une page spécifique que vous êtes conviés à visiter.

Cliquez ici pour découvrir ces composants moins connus du public que les piles électrochimiques.


Autres familles de piles

Il existe bien d'autres types de piles dont le nom ne vous est sans doute pas inconnu.

Citons sans ordre hiérarchique les photopiles, les piles photovoltaïques, les piles électrochimiques au mercure, à l'argent, les piles Li-ion, les piles thermonucléaires ou les piles à combustibles qui sont encore aujourd'hui au stade de développement ...

Ces piles, de conception moderne, faisant appel à des technologies hautement complexes sortent du cadre de ce site consacré aux inventions plus anciennes.


Sources :

  1. Le film "Das Schweigen der Quandts" 2007 - le silence des Quandts
  2. Traité de Physique élémentaire - Ch. Drion et E. Fernet - G. Masson Editeur - Paris 1871
  3. Essai sur les piles - A. Callaud - Gauthier-Villard Imprimeur Libraire -Paris 1875
  4. Essai sur les piles servant au développement de l´électricité, par A. Callaud. Galvani, Volta, Daniell, Bunsen. Paris, E. Lacroix, 1860.
  5. Traité élémentaire de la pile électrique -  Alfred Niaudet - J. Baudry - Paris1880
  6. Le Règne de l'électricité - Gaston Bonnefont - Alfred MAME et Fils - Tours 1895
  7. L'électricité - Max de Nansouty -Boivin & Cie Editeur - Paris 1911
  8. Traité pratique d'électricité - Alfred Soulier - Librairie Garnier Frères - Paris 1920
  9. A,B,C de l'électricité - C. Dubois - Librairie Delagrave - Paris 1922
  10. Instruments scientifiques de démonstration - Radiguet & Massiot - Paris 1910

Un grand merci au Docteur Rémi Dessapt pour les précisions techniques sur les phénomènes électro-chimiques rencontrés dans les piles qu'il a accepté de me fournir pour compléter cette synthèse historique.

Merci à mes amis Michel et Pierre qui ont enrichi ma collection personnelle avec de belles piles anciennes chinées sur nos brocantes.


© 2000-2007 Pierre Dessapt