Voir la source de Pile électrique

{{Voir homonymes|pile}}
{{Style non encyclopédique|date=juin 2020}}
{{Infobox Objet|nom = |légende = Différents formats de piles : deux piles de 9 volts, deux AAA, deux AA, une C, une D.}}

Une '''pile électrique''', couramment dénommée « '''pile''' »<ref name="cnrp">{{CNRTL|Pile|c1}}.</ref>, est un dispositif [[Électrochimie|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]] invente la [[pile voltaïque]] en 1800. Ce système électrochimique empile<ref group=alpha>Le mot « pile » vient de cet empilement.</ref> alternativement des couches de [[Métal|métaux]] différents ([[cuivre]] ou [[zinc]] et [[argent]]), séparées par des [[Feutre (textile)|feutres]] imbibés d'[[acide]] ([[électrolyte]])<ref name="cnrp" />. 

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'[[Accumulateur électrique|accumulateurs électriques]].

== Vocabulaire : pile, accumulateur, batterie ==
=== Pile et « pile rechargeable » ===
[[Fichier:VoltaBattery.JPG|vignette|upright|Pile de Volta, début du {{s-|XIX}}.]]
[[Image:Macro piles electriques.jpg|thumb|upright|[[Pile saline|Piles salines]] et [[Pile alcaline|alcalines]], les plus courantes.]]
[[Image:Battery symbol.svg|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<ref name=":0">{{Lien web |titre=Une pile et une batterie, c'est la même chose. |url=https://www.connaissancedesenergies.org/une-pile-et-une-batterie-cest-la-meme-chose-160318 |site=Connaissance des Énergies |date=25 mars 2016 |consulté le=2019-08-27}}.</ref>. En effet, une fois que le [[Potentiel d'oxydoréduction|potentiel]] des [[électrode]]s 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 d'accumulateurs|batterie]] » désigne une association en [[Montage en série|série]] ou en [[Parallèle (électricité)|parallèle]] de [[Pile|piles]] ou d'[[Accumulateur électrique|accumulateurs]]<ref>{{Article |auteur1=Serge Pélissier |auteur2=Ali Sari |auteur3=Pascal Venet |titre=Batteries électriques pour applications portables et embarquées - Fondamentaux |périodique=Techniques de l'Ingénieur |date=10 mars 2018 |lire en ligne=https://www.techniques-ingenieur.fr/base-documentaire/electronique-photonique-th13/electronique-de-puissance-conversion-et-gestion-42283210/batteries-electriques-pour-applications-portables-et-embarquees-e2140/contexte-des-applications-portables-et-embarquees-e2140v3niv10003.html }}</ref> afin que l'ensemble atteigne certaines caractéristiques nominales, telles que la [[Tension électrique|tension]], le [[Courant électrique|courant]] maximum admissible ou la [[Capacité électrique|capacité]].

Si les éléments montés les uns avec les autres sont des accumulateurs, ils forment une [[batterie d'accumulateurs]]<ref name=":0" />{{,}}<ref>{{CNRTL|batterie|2. − P. anal., ÉLECTR.}}.</ref>. Dans le cas d'une association de piles, l'assemblage, non rechargeable, est nommé [[Cellule primaire|batterie primaire]].

Le terme de « batterie » utilisé dans l'[[Construction automobile|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 ==
[[Fichier:ElectrochemCell.png|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 [[électron]]s ([[Réducteur (chimie)|matériau réducteur]]), et l’autre qui les absorbe ([[Oxydant|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 (chimie)|solution]] où se produit un échange d'électrons. Ce sont ces électrons qui sont échangés entre les deux substances. Pour assurer l'équilibre des [[Charge électrique|charges électriques]], il faut relier les deux solutions à l'aide d'un [[pont salin]], système qui permet le transport de certains [[ion]]s 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 ([[électron]]s, [[ion]]s). 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 [[Réaction d'oxydoréduction|réduction]] qui va consommer les électrons.

Ce système est utilisé pour les piles électriques et les [[batterie d'accumulateurs|batteries d'accumulateurs]], avec divers [[Accumulateur électrique|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 piquant dans un [[citron]] un [[Trombone (papeterie)|trombone]] déplié ou un [[clou]] (en [[acier]] [[Galvanisation|galvanisé]], recouvert donc de [[zinc]]) et un fil électrique dénudé (en [[cuivre]]) reliés à une [[diode électroluminescente]] bien choisie<ref>Palais de la découverte, [http://www.palais-decouverte.fr/fileadmin/fichiers/visiter/juniors/fiches_experiences/la_pile_au_citron.pdf ''La Pile au citron''] {{pdf}}, IFIM23, 2006.</ref>. À l'anode, le zinc cède ses électrons, et à la cathode, l'ion H<sup>+</sup> du jus [[acide]] capte les électrons et se dégage sous forme de [[dihydrogène]] {{H2}}<ref>{{Lien web |format=vid |titre=Pile au citron - L'explication ! |url=https://www.youtube.com/watch?v=1113-dYorrY |site=[[YouTube]] |consulté le=2021-04-19}}.</ref>. On trouve dans le commerce des gadgets qui utilisent ce même principe : par exemple de petites [[Horloge à quartz|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 [[ion]]s [[Hydroxyde|HO<sup>−</sup>]] et en hydrogène)<ref>{{Lien web |format=vid |titre=2x09 La pile patate |url=https://www.youtube.com/watch?v=4nhy9Qq58vs |consulté le=2021-04-19}}.</ref>.

== Histoire ==
Des objets archéologiques, comme ceux trouvés en 1936, ressemblent à des piles. Ainsi de la [[pile électrique de Bagdad]], datant du {{-s-|III}}, bien que sa fonction de pile soit controversée<ref>{{Lien web |auteur1=Christine Blondel |auteur2=Bertrand Wolff |auteur3=Marie-Hélène Wronecki |titre=La prétendue ''pile'' de Bagdad : une pile électrique il y a deux mille ans ? |url=http://www.ampere.cnrs.fr/histoire/parcours-historique/mythes/pile-bagdad |site=ampere.cnrs.fr |date=juillet 2017}}.</ref>. 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]] [[galvanoplastie|galvanoplastique]]), ce qui expliquerait son usage mineur, ou secret, peut-être associé, à l'usage, aux faussaires (voir [[Poussée d'Archimède#La couronne du roi Hiéron II|Archimède et la couronne du roi Hiéron]])<ref>[http://www.infomysteres.com/synth/synth11.htm Magazine, Monde Inconnu (Le)], {{N°|84}}, 06/1987, Technologies avancées dans les temps reculés, Michel Granger.</ref>.
{{article détaillé|Pile voltaïque}}

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<ref>{{Lien web |auteur1=Christine Blondel |auteur2=Bertrand Wolff |titre=Galvani et ''l'électricité animale'' |url=http://www.ampere.cnrs.fr/histoire/parcours-historique/galvani-volta/galvani |site=ampere.cnrs.fr |date=septembre 2011 |consulté le=2021-08-16}}.</ref>.

En opposition avec les travaux de Galvani (électricité d'origine animale), [[Alessandro Volta]] invente la première [[Pile voltaïque|pile à colonne]] le {{date-|17 mars 1800}}<ref>Publication soumise le {{date-|20 mars 1800}} dans une lettre en français au président de la [[Royal Society]], [[Joseph Banks]].</ref> ; 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 (textile)|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<ref name="Bonaparte_savants">{{Article |prénom1=Paul |nom1=Barbier |titre=Bonaparte et les savants, De la pile de Volta à la grande pile de l’École Polytechnique (1800-1812) |périodique=Bulletin d'histoire de l'électricité |volume=34 |numéro=1 |date=1999 |doi=10.3406/helec.1999.1455 |consulté le=2021-08-16 |pages=5–28 }}</ref>.

Quelques mois après l'invention de Volta, deux chimistes britanniques, [[William Nicholson (chimiste)|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 {{date-|2 mai [[1800 en science|1800]]}}<ref>{{Article |prénom1=Christian |nom1=Bailleux |titre=Histoire de l’électrolyse alcaline de l’eau de ses débuts à nos jours |périodique=Bulletin d'histoire de l'électricité |volume=27 |numéro=1 |date=1996 |doi=10.3406/helec.1996.1310 |lire en ligne=https://www.persee.fr/doc/helec_0758-7171_1996_num_27_1_1310 |consulté le=2021-08-16 |pages=19–33 }}</ref>.

Dès 1802, [[William Cruickshank (chimiste)|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<ref name="Bonaparte_savants"/>.

<gallery mode="packed" caption="Différents types de pile Volta">
Fichier:Pila di Volta 01.jpg|La [[pile voltaïque]]<ref group=alpha>Inventée par [[Alessandro Volta]] qui lui a donné son nom.</ref>.
Fichier:Schema pile volta.png|Schéma de fonctionnement de la pile Volta.
Fichier:Voltaic pile.svg|Schéma de la pile Volta.
</gallery>

=== 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 {{Lien|trad=Polarization (electrochemistry)|fr=Polarisation (électrochimie)|texte=polarisation}}.

La [[réaction d'oxydoréduction]] provoque une accumulation de [[sous-produit]]s 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 Ier|Napoléon]] fournit à l'[[École polytechnique (France)|École polytechnique]] une pile voltaïque de {{nobr|600 couples}} cuivre/zinc, occupant {{unité|54 m2}} de surface. [[Humphry Davy]] fait construire une [[Pile à auge|pile Cruickshank]] constituée de {{nobr|200 [[Auge_(récipient)|auges]]}} et de {{nobr|2 000 couples}} cuivre/zinc à l'[[Royal Institution|Institut Royal]] de Londres. Avec ces piles monumentales, il était possible d'obtenir des intensités de {{unité|10 A}}, soit des puissances de l'ordre de la dizaine de [[Kilowatt|kW]].

=== Piles impolarisables ===
[[Image:Electrochemical element with salt bridge.png|thumb|upright|Schéma de principe de la pile Daniell.]]
Dans les [[pile impolarisable|piles impolarisables]], les produits de la réaction d'oxydoréduction utilisée n'altèrent pas les propriétés [[Électrochimie|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 Bichromate|pile à bichromate]] : elle dégage 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 [[pile bouteille|piles bouteilles]] seront utilisées jusqu'au début du {{s-|XX}} : 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 [[bichromate]]s et des problèmes d'entretien de l'électrode.

=== Piles à dépolarisation ===
{{section à sourcer|date=février 2019}}
[[Fichier:Bunsen cell.jpg|thumb|upright|Pile Bunsen.]]
[[Fichier:Coin-cells.jpg|thumb|upright|Piles au lithium modernes.]]

Les [[pile à dépolarisation|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 Grove|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 {{citation|ne s'use que si l'on s'en sert}} comme dira la publicité de la pile [[Société Wonder|Wonder]]). En 1888, {{Lien|Carl Gassner}} 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 {{s-|XXI}}.

Pendant la [[Seconde Guerre mondiale]], [[Samuel Ruben (inventeur)|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 [[Pile au lithium|piles au lithium]], permettant de remplacer le zinc par un métal plus réducteur, sont mises au point. Elles sont commercialisées en 1977.

Des piles ont été utilisées comme références pour définir une norme de tension avant d'être détrônées par une mesure basée sur l'[[effet Josephson]] : la [[pile Daniell]] (1836), puis la [[pile Clark]] inventée en 1872 par [[Josiah Latimer Clark]] a été employée jusqu'en 1905, puis elle a été remplacée par la [[Pile Weston|cellule de Weston]] jusqu'en 1972.

=== Piles de concentration ===
Il existe aussi des « piles de concentration » qui sont des dispositifs électrochimiques comme les piles (deux solutions et un pont salin) qui tirent leur énergie de la différence de concentration d'un [[soluté]] d'une solution à l'autre. Les solutions et les [[anode]]s sont toutes de même type. C'est une méthode simple pour [[Production d'électricité|produire de l'électricité]]. Ce modèle de pile intervient surtout dans l'industrie [[Métallurgie|métallurgique]] au niveau de la [[galvanisation]] et de l'étude de la [[corrosion]].

== Classification ==
[[Image:Batteries comparison 4,5 D C AA AAA AAAA A23 9V CR2032 LR44 matchstick-1.jpeg|thumb|Différents types de piles.]]

=== Par technologie ===
Il existe cinq technologies de piles grand public :
* [[pile alcaline]] ;
* [[Pile Leclanché|pile saline]] ;
* [[pile au lithium]] ;
* [[pile à l'oxyde d'argent]] (certaines piles boutons pour montres) ;
* [[pile zinc-air]] (utilisée notamment dans les [[audioprothèse]]s).

Depuis décembre 1998, les [[pile au mercure|piles au mercure]] sont interdites en [[Europe]] (''Directive 98/101/CE''<ref>''[https://eur-lex.europa.eu/legal-content/FR/TXT/?uri=CELEX:31998L0101 Directive 98/101/CE de la Commission du 22 décembre 1998]'', sur ''eur-lex.europa.eu'' (consulté le 19 novembre 2018).</ref>) et aux [[États-Unis]] en raison de la toxicité et de l'impact environnemental du [[mercure (chimie)|mercure]].

=== Par format ===
{{Article détaillé|Format des piles et accumulateurs électriques}}
Les formats de piles sont couramment désignés par un code (AA, LR12, CR2032…) normalisé par la [[Commission électrotechnique internationale]] (CEI) et par l'[[American National Standards Institute]] (ANSI). Bien que la norme CEI soit devenue un standard, un certain nombre d'appellations propres aux fabricants de piles subsiste.

=== Par force électromotrice ou tension nominale ===
[[Fichier:Battery checker.jpg|thumb|upright|Testeur de tension (f.e.m.) pour différents types de piles.]]
La [[force électromotrice]] (f.e.m.) est la [[tension électrique|tension]] qui existe aux bornes de la pile en [[circuit électrique|circuit]] ouvert. Pour la mesurer, on peut utiliser un [[multimètre]] à forte résistance interne, tel qu’un multimètre numérique ou un « testeur de pile ».

Lorsque la pile se décharge (que ce soit du fait de son utilisation ou [[Auto-décharge|à cause du temps]]), la f.e.m. ne diminue que légèrement<ref group=alpha>Sauf en fin de vie où elle devient nulle.</ref>, ce qui peut laisser croire que la pile est toujours utilisable. Toutefois, la résistance interne de la pile augmente, donc l'énergie qu'elle peut délivrer diminue, ainsi que la tension à ses bornes, au fur et à mesure de la décharge de la pile. Il est donc préférable pour tester une pile de mesurer sa tension en utilisation normale (ou avec un testeur consommant du courant pour simuler cette utilisation).

La tension nominale (ou f.e.m. nominale), c'est-à-dire celle qui est inscrite sur la pile elle-même ou son emballage, correspond en fait à la f.e.m. de la pile à l'état neuf.

Les piles [[Pile Leclanché|saline]]s et [[Pile alcaline|alcaline]]s ont une tension nominale de {{unité|1.5|V}} environ, tandis que celle des [[Pile au lithium|piles au lithium]] est de {{unité|3.6|V}} environ.

Les piles de tensions nominales plus élevées sont constituées d'une association en série de cellules de {{unité|1.5 V}} (trois éléments en série, dans une pile 3LR12 de {{unité|4.5 V}} ; six dans une {{nobr|pile 6LF22}} de {{unité|9 V}}).

=== Par capacité ===
Suivant le mode de fabrication d'une pile, sa capacité (voir [[#Capacité et décharge|section ci-dessous]]) peut être très variable.<br/>
La mention de la capacité d'une pile est obligatoire sur le marché européen et français depuis 2009 <ref>{{Lien web |titre=Piles et accumulateurs {{!}} entreprises.gouv.fr |url=https://www.entreprises.gouv.fr/fr/libre-circulation-des-produits/cadre-du-marche-unique/piles-et-accumulateurs |site=www.entreprises.gouv.fr |consulté le=2023-01-30}}</ref>.

== Capacité et décharge ==
=== Capacité électrique ou capacité énergétique ===
[[Fichier:Capacit%C3%A9s.jpg|thumb|upright|Étiquette d'un [[chargeur solaire]] sur laquelle sont indiquées les deux types de capacités :<br/>- capacité électrique {{nobr|''Q'' {{=}} {{unité|24000 mAh}}}} ;<br/>- capacité énergétique {{nobr|''E'' {{=}} {{unité|88.8 Wh}}}}.]]
On utilise usuellement deux sortes de « capacité » pour une pile (ou pour une batterie), sans toujours s'apercevoir de la différence entre les deux, ni préciser de laquelle on parle<ref group=alpha>Et sans se rendre compte non plus du risque de confusion avec la [[Capacité électrique|capacité]] d'un [[Condensateur (électricité)|condensateur]]. La capacité d'un condensateur est en fait le quotient de ''Q'' par la tension ''U'' aux bornes de celui-ci. Son unité est le [[farad]].</ref> :
* la ''capacité électrique'' de symbole ''Q'' d'une pile est la quantité maximale de [[charge électrique]] qu'elle peut fournir au cours d'une utilisation nominale (décharge telle que prévue par le fabricant). Elle correspond au produit du courant qui sera fourni par le nombre d'heures d'utilisation. Dans le [[Système international d'unités|SI]], elle s'exprime en [[coulomb]]s ({{unité|C}}), mais on utilise couramment l'[[ampère-heure]] ({{unité|1 Ah}} = {{unité|3600 C}}) ou le milliampère-heure ({{unité|1 mAh}} = {{unité|3.6 C}}) ;
* la ''capacité énergétique'' de symbole ''E'' est la quantité d'[[énergie]] qu'elle peut fournir lorsqu'elle se décharge. Elle correspond au produit de la puissance fournie par le nombre d'heures d'utilisation. Elle s'exprime couramment en [[watt-heure|watts-heures]] (Wh), ou en milliwatts-heures (mWh).

Il existe une relation simple entre ces deux capacités : la capacité énergétique est le produit de la capacité électrique par la tension nominale ''U'' de la pile : 
: <math>E = {Q} * {U}</math>

Il est important de ne pas confondre ces deux types de capacités. Connecter deux piles en série n'augmente pas la [[capacité électrique]], alors que la [[capacité énergétique]] est multipliée par deux.

Sur l'image ci-contre, on peut voir indiqués, sur un appareil de type ''{{langue|en|power bank}}'' courant, les deux types de capacités<ref group=alpha>Si la relation ci-dessus semble ne pas être vérifiée, cela est dû au fait que la tension nominale de la batterie n'est pas {{unité|5 V}}, mais de {{unité|3.7 V}} (batterie Lithium-ion) : on a bien alors {{nobr|24 x 3,7 {{=}} 88,8}}. La tension de {{unité|5 V}} est en fait fournie en sortie de l'appareil par un circuit électronique intégré destiné à charger les batteries d'autres appareils par un câble USB. La capacité électrique fournie par l'appareil sous cette tension de {{unité|5 V}} est donc en fait seulement de {{nobr|88,8 / 5 {{=}} {{unité|17.6 Ah}}}}. Si le rendement de l'ensemble n'est que de 75 %, on ne pourra recharger avec cet appareil que deux batteries de {{unité|6 Ah}} au lieu de quatre comme on aurait pu s'y attendre (puisque {{nobr|24/6 {{=}} 4}}).</ref>.

[[Fichier:Barrage de Glen Canyon.jpg|thumb|upright|Barrage de Glen Canyon en 2013.]]
Une analogie hydraulique :
la capacité du réservoir d'un barrage hydroélectrique est la quantité d'eau qu'il contient. Elle ne doit pas être confondue avec la capacité énergétique de ce réservoir qui est la quantité d'énergie qu'il est capable de fournir au réseau électrique. Cette capacité énergétique dépend de la hauteur moyenne du niveau de l'eau du réservoir par rapport aux turbines de l'usine hydroélectrique. Cette hauteur est l'équivalent de la tension dans le cas d'une batterie (ou d'une pile). La tension représente l'énergie potentielle.

=== Mesure de la capacité électrique ===
La capacité électrique ''Q'' dépend de la quantité d'électrolyte et d'électrode, mais aussi des conditions de décharge (intensité du courant de décharge, tension de coupure de l'appareil, température d'utilisation)<ref>{{Ouvrage|prénom1=Pierre|nom1=Mayé|titre=Générateurs électrochimiques|sous-titre=Piles, accumulateurs et piles à combustible|éditeur=[[Éditions Dunod|Dunod]]|année=2010|pages totales=208|passage=11|isbn=978-2-10-055564-2|lire en ligne=https://books.google.fr/books?id=DK_nbUx51CIC|consulté le=04/06/2013}}.</ref>.

Si l'intensité de décharge ''I'' est constante, la capacité ''Q'' est proportionnelle à la durée de décharge Δ''t'' :
: <math>Q=I\times \Delta t</math>

Si l'intensité ''i'' varie, alors :
: <math>Q=\int_{0}^{\Delta t} i \, \mathrm d t</math>

La capacité électrique théorique d'une pile (ou d'une batterie), telle que définie par les fabricants, est mesurée sur un échantillon du modèle en effectuant sa décharge à {{tmp|20|°C}} sur un équipement normalisé. L'intensité de décharge est choisie en fonction d'une durée d'environ {{nobr|20 heures}}. Il ne reste plus qu'à faire le produit de l'intensité par le temps effectif de décharge.

:Par exemple, si une pile de {{unité|1,5 V}} délivre {{unité|0,5 A}} pendant {{nobr|21 heures}} à la température normale d'une pièce, sa capacité électrique est de {{nobr|0,5 x 21 {{=}} {{unité|10,5 Ah}}}}, et sa capacité énergétique est de {{nobr|10,5 x 1,5 {{=}} {{unité|15,75 Wh}}}}.

En fait, ce n'est pas aussi simple, car :
# Il est difficile d'apprécier la fin de la décharge (la tension mesurée devra être un certain pourcentage de la tension nominale - quel pourcentage choisir ? 80 % ? 90 % ?…) ;
# La capacité ainsi mesurée dépend du courant de décharge (voir loi de Peukert ci-dessous) ;
# On constate {{refnec|que des mesures répétées sur un même modèle dans les mêmes conditions donnent des résultats qui peuvent être très différents.}}

=== Loi de Peukert ===
La [[loi de Peukert]] est une relation donnant le temps de décharge en fonction de la capacité électrique théorique d'une pile (ou d'une batterie) et du courant de décharge :

: <math>t = \frac {Q_P} {I^k}</math>

où :
* <math>Q_P</math> est la capacité électrique théorique (en fait celle mesurée à 1 [[Ampère (unité)|ampère (A)]]) ;
* <math>I</math> est le courant effectivement débité par la pile en ampères ;
* <math>t</math> est le temps de décharge ;
* <math>k</math> est une constante empirique de l'ordre de 1,3 pour les batteries au plomb, mais très voisine de 1 pour les batteries au lithium.

En pratique, une pile (ou une batterie) est plus efficace (tiendra plus longtemps) si elle est déchargée avec une basse intensité.

En outre, pour les basses puissances, il faut prendre en compte l'[[auto-décharge]] : {{refnec|pour une pile qui a une auto-décharge relativement élevée, l'auto-décharge peut consommer la majorité de la capacité de la batterie}}. {{refnec|Toutes les piles se déchargent au cours du temps, même si elles ne sont pas utilisées}}. Il existe des technologies de [[pile activable|piles activables]] qui permettent de contrôler le démarrage de la réaction. Elles sont par exemple utilisées dans les éléments de sécurité ([[coussin gonflable]], balise de détresse de bateau{{etc.}}) ou dans certaines applications militaires. C'est aussi le cas des piles boutons zinc-air, il faut enlever la languette qui ferme l'élément avant de le mettre en service.

=== Assemblage en série ===
Beaucoup de piles sont utilisées par groupe de deux à six éléments en série. La performance d'un assemblage de piles branchées en série est celle de son élément le plus faible. Par exemple, une pile de {{unité|4.5 V}} est un assemblage dans le même boîtier de trois piles de {{unité|1.5 V}} connectées en série.

== Utilisation ==
=== Consommation ===
En 2004, {{nobr|875 millions}} de piles ont été vendues en France (alcalines 75 %, salines 22 %, rechargeables 2 %)<ref>[http://management.journaldunet.com/0604/0604132match-piles.shtml Qui sont les champions… des piles], ''Le journal du management'', 26 avril 2006.</ref>, {{nobr|100 millions}} en Belgique en l'an 2000.

En 2018, {{nobr|1,3 milliard}} de piles ont été vendues en France, dont seuls 11 % sont rechargeables<ref>{{Lien web |langue=fr |prénom=la |nom=rédaction |titre=Combien utilise-t-on et jette-t-on de piles en France ? |url=https://www.futura-sciences.com/planete/questions-reponses/eco-consommation-utilise-t-on-jette-t-on-piles-france-663/ |site=Futura |consulté le=2024-07-21}}.</ref>.

=== Fabricants ===
Parmi les fabricants de piles, on peut citer [[Duracell]], [[Energizer]], [[Sony Corporation|Sony]], [[Rayovac]], [[Varta]], [[Philips]], [[Panasonic]], [[Saft]], [[Kodak]], [[Leclanché]], [[Maxell]].

=== Efficacité énergétique ===
En moyenne, les piles électriques sont jetées alors qu'elles possèdent encore un tiers d'[[énergie]] utilisable<ref>[http://www.energie-environnement.ch/fichiers/info_pdf/04h_piles.pdf La fausse mort des piles] {{pdf}}, sur ''energie-environnement.ch''.</ref>, et 1/10 seraient encore presque neuves. En effet, les appareils électroniques (appareil photo numérique, lecteur MP3{{etc.}}) ont besoin d'une [[Tension électrique|tension]] minimale pour fonctionner. Or, la tension de l'ensemble baisse au cours de la décharge, mais à une vitesse différente selon l'élément. Les piles possédant encore une certaine capacité peuvent alors encore être utilisées pour alimenter des appareils moins exigeants (réveil, pendule, jouet, lampe de poche, télécommande{{etc.}}).

=== Sécurité ===
Le principal danger direct pour l'humain est, de loin, l'[[ingestion]] par les jeunes enfants de piles bouton de taille moyenne (supérieure à {{unité|16 mm}}). Le risque majeur est celui d'un [[Enclavement (médecine)|enclavement]] de la pile dans l’[[œsophage]], l'[[électrolyse de l'eau]] entraînant la formation d'ions [[Hydroxyde|OH<sup>−</sup>]] à l'[[anode]] constitue le mécanisme lésionnel essentiel, d'autant plus important quand la pile est neuve et de tension élevée ({{unité|3.6 V}} pour les piles au [[lithium]]). Le risque lié à l'éventuelle libération des constituants d'une pile bouton est minime du fait de leur faible quantité dans ces petites piles{{refsou|date=février 2023}}.
,
=== Réutilisation ===
D'un point de vue électro-chimique, les couples [[Réaction d'oxydoréduction|redox]] des piles alcalines zinc-manganèse (à l'anode et à la cathode) sont partiellement réversibles<ref>{{en}} K. Kordesch {{et al.}}, [http://seme.cer.free.fr/Rechargeability%20of%20manganese%20dioxyde_1981_Karl_Kordesch.pdf ''Rechargeability of manganese dioxide in alkaline electrolyte''] {{pdf}}, ''[[Electrochimica Acta]]'', {{vol.}}26, {{n°}}10, {{p.}}1495-1504, 1981.</ref>. Les réactions chimiques inverses sont donc possibles. La chute de tension de la pile, qui se produit naturellement lors de sa décharge, peut être inversée par l'injection d'un courant, qui va favoriser la réaction inverse. Ce qui explique que les piles alcalines peuvent être réutilisées jusqu'à plusieurs dizaines de fois avec des circuits électroniques adaptés<ref>{{en}} Michael Slifkin, [http://techdoc.kvindesland.no/radio/psu/20061103160627551.pdf ''Recharging the unchargeable''] {{pdf}}, ''Electronics World'', {{p.|320}}, 27 avril 1998.</ref>{{,}}<ref>{{Lien web|langue=en|auteur institutionnel=Société Les Piles Wonder|url=ftp://ftp2.ni-cd.net/nicd/document/Recharger_des_Piles_Alcalines.pdf|titre=Caractéristiques générales des piles alcalines au bioxyde de manganèse|année=1985 (à vérifier)|page=3|consulté le=4 juin 2013|brisé le=1541675709}}.</ref>.

Les fabricants de piles, qui n'ont pas conçu les piles alcalines pour qu'elles soient réutilisables, recommandent de les recycler après un seul cycle de décharge. Ils mettent en avant des risques potentiels d'échauffement des piles, de fuite et d'explosion (due à la pression de dihydrogène gazeux libéré et à la mauvaise reconstitution de l'amalgame de zinc métallique)<ref>{{Lien web|auteur institutionnel=Energizer|url=http://data.energizer.com/PDFs/alkalinecylindrical_psds_FR.pdf|titre=Fiche technique de sécurité / pile Energizer / Eveready|année=2011|consulté le=4 juin 2013}}.</ref>. Néanmoins, des régénérateurs de piles alcalines existent et sont commercialisés.

== Recyclage ==
[[Image:Versch. Batterien.JPG|thumb|Piles usagées.]]

Les piles contiennent des [[métal|métaux]] ([[nickel]], [[cadmium]], [[mercure (chimie)|mercure]], [[plomb]], [[fer]], [[zinc]] ou [[lithium]]) dont certains sont [[Métal précieux|précieux]], et souvent toxiques et [[écotoxique]]s (nocifs pour l'environnement). L'enveloppe de la pile se décompose tôt ou tard, et libère les produits chimiques qu'elle contient.

Aucune pile commercialisée n'est biodégradable.

=== Europe ===
La ''[[Directive 2006/66/CE]]'' vise à réduire l’impact des piles et accumulateurs électriques sur l’environnement en favorisant leur recyclage et en limitant leur teneur en métaux écotoxiques.

En 2018, 48 % des piles commercialisées sont recyclées dans l'UE à 27 pays (post-[[Brexit]]), et 52 % ne le sont pas <ref name=bateu>{{en}} [https://ec.europa.eu/eurostat/web/products-eurostat-news/-/DDN-20200723-1?inheritRedirect=true&redirect=%2Feurostat%2Fnews%2Fwhats-new Half of batteries sold are collected for recycling], sur ''europa.eu'' (consulté le 28 octobre 2020).</ref>.

Ce chiffre varie de 96 % en Croatie à 30 % en Estonie<ref name=bateu/>.

* La [[Suisse]] est la première du monde avec 70 % de piles collectées ; une [[écotaxe]] (comprise dans le prix de vente) en finance le recyclage<ref>{{Lien web |auteur institutionnel=Energizer |url=http://www.energie-environnement.ch/electronique-informatique/piles-et-accus/415 |titre=plate-forme d'information des services de l'énergie et de l'environnement des cantons de Berne…|site=energie-environnement.ch |année=2011|consulté le=4 juin 2013}}.</ref>.
* L'objectif européen, fixé par la ''Directive 2006/66/CE'', est de 25 % en 2012 et 45 % en 2016<ref>[https://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=OJ:L:2006:266:0001:0014:fr:PDF Article 10 - Objectifs de collecte], sur ''eur-lex.europa.eu'' (consulté le 28 octobre 2020).</ref>.

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==== France ====
En France, les piles ne doivent pas être jetées dans une poubelle ordinaire, mais déposées à un point de collecte (supermarchés, déchetteries, points de vente…) pour être recyclées. La législation française a transposé la directive européenne dans un décret en 2009<ref>[https://www.legifrance.gouv.fr/jorf/id/JORFTEXT000021261717?r=QZz7rZWrkb Arrêté du 9 novembre 2009 relatif au transit, au regroupement, au tri et au traitement des piles et accumulateurs usagés], sur ''legifrance.gouv.fr'' (consulté le 28 octobre 2020).</ref>. Afin de réduire la teneur des piles en certains métaux toxiques (mercure notamment), le décret précise :

{{Citation bloc|Les piles et les accumulateurs mis en marché, y compris ceux qui sont intégrés dans des équipements électriques et électroniques […], ne contiennent pas plus de 0,0005 % de mercure en poids, à l'exception des piles bouton dont la teneur en mercure est inférieure à 2 % en poids, et pour les piles et accumulateurs portables pas plus de 0,002 % de cadmium en poids.|référence=<ref name="décret_22septembre2009">Décret {{n°|2009-1139}} du {{date-|22 septembre 2009}}.</ref>}}

Afin de favoriser leur collecte et leur recyclage, il est indiqué :
{{Citation bloc|Les distributeurs de piles et accumulateurs portables reprennent gratuitement, et sans obligation d'achat de piles ou d'accumulateurs neufs, les piles et accumulateurs portables usagés du même type que ceux qu'ils commercialisent et qui leur sont apportés par les utilisateurs. Ils informent les utilisateurs de la possibilité de déposer les piles et accumulateurs portables usagés dans leurs points de vente. Les conteneurs mis à la disposition des utilisateurs à cet effet sont mis en évidence et facilement accessibles.|référence=<ref name="décret_22septembre2009"/>}}

Le [[recyclage]] permet de récupérer des métaux réutilisables (fer, manganèse, zinc et mercure principalement) ; la [[valorisation matière]] représente 87,3 %, en masse, des piles traitées en 2011, la [[valorisation énergétique]] (incinération des plastiques et de certains résidus de broyage) 9,2 %, les 3,5 % restant étant éliminés sans valorisation<ref name=ademe>{{lien web|url=http://www2.ademe.fr/servlet/getDoc?cid=96&m=3&id=85240&p1=00&p2=05&ref=17597|titre=Synthèse piles et accumulateurs, données 2011|page=40|site= ademe.fr}}.</ref>.

Le taux de collecte est le rapport (en masse) entre la quantité de piles collectée et celle vendue. Depuis le début du recyclage, il est faible, et n'atteint jamais ses objectifs.
* En [[France]] en 2011, {{unité|11621 t}} de piles et d'accumulateurs (hors automobile et industrie) ont été collectées puis recyclées selon l'[[Ademe]], soit un taux de collecte de 36 %<ref name=ademe/>, et ce taux serait encore sous les 50 % (46 %) en 2016 selon [[Eucobat]] (la filière française fondée par Corepile et [[Screlec]]<ref>[http://www.environnement-magazine.fr/article/47879-piles-collecte-francaise-se-rapprochera-de-45-en-2016/ ''Piles : la collecte française se rapprochera de 45 % en 2016 ''], ''[http://www.environnement-magazine.fr Environnement-magazine]'', 18 juillet 2016.</ref>).
* En 2018, selon Eurostat, la France a recyclé 46 % de ses piles<ref>https://ec.europa.eu/eurostat/web/products-eurostat-news/-/DDN-20200723-1?inheritRedirect=true&redirect=%2Feurostat%2Fnews%2Fwhats-new</ref>.

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== Notes et références ==
=== Notes ===
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=== Références ===
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== Voir aussi ==
{{Autres projets|commons=Category:Electric batteries
|wiktionary=pile}}

=== Articles connexes ===
{{colonnes|taille= 20|
* [[Accumulateur électrique]]
* [[Pile Daniell]]
* [[Pile au mercure]]
* [[Pile au lithium]]
* [[Pile thermique]]
* [[Format des piles et accumulateurs électriques]]
* [[Boîtier de piles]]
* [[Chargeur (électricité)| Chargeur d'accumulateurs]]
}}

=== Liens externes ===
* {{Autorité}}
* {{Dictionnaires}}
* [http://bibnum.education.fr/physique/la-pile-de-volta ''La pile de Volta''], sur ''bibnum.education.fr''
* [http://seaus.free.fr/spip.php?article844 Galvani, Volta et la découverte de la pile électrique], sur ''seaus.free.fr''
* [https://www.jerecyclemespiles.com/ Annuaire des lieux de collecte des piles en France]

{{Palette|Électricité|Accumulateurs électriques}}
{{Portail|chimie|électricité et électronique|énergie}}

{{CLEDETRI:pile électrique}}
[[Catégorie:Pile| ]]
[[Catégorie:Objet jetable]]