Oxydo-réduction : piles, accumulateurs et piles à combustibles

Les piles et les accumulateurs sont des convertisseurs électrochimiques qui transforment l’énergie chimique stockée en énergie électrique.

Les accumulateurs mettent en jeu des réactions réversibles. Un accumulateur peut donc reformer ses réactifs lors des charges.

Un élément d'accumulateur comprend deux électrodes : l’une est en plomb métal $\rm Pb(s)$, l'autre est recouverte de dioxyde de plomb $\rm PbO_2 (s)$. Elles sont immergées dans une solution aqueuse d’acide sulfurique. Les deux couples oxydant / réducteur impliqués dans le fonctionnement de cet accumulateur sont : $\rm PbO_2(s) /Pb^{2+}_{(aq)}$ et $\rm Pb^{2+}_{(aq)} / Pb(s)$.

Lors de la décharge, l’accumulateur transforme spontanément l’énergie chimique en énergie électrique. 
 
À la cathode (pôle $\oplus$), il y a b du dioxyde de plomb :

$\color{cornflowerblue}{\begin{array}{lll}\rm Réduction\\ \rm PbO_2 + 4~H^+ + 2~e^-\\ \rm= Pb^{2+} + 2~H_2O\end{array}}$

À l’anode (pôle $\ominus$), il y a oxydation du plomb :

$\color{orange}{\begin{array}{ll} \rm Oxydation\\ \rm Pb = Pb^{2+} + 2~e^-\end{array}}$

Lors de la charge, le générateur extérieur force les électrons à circuler afin de reformer les réactifs et donc de transformer l’énergie électrique en énergie chimique.

Si une pile débite pendant un temps $\rm \Delta t$ avant d’être usée, alors elle a délivré une quantité d’électricité correspondant à :

Soit $n$ la quantité d’électrons échangés en mole (c'est-à-dire la quantité d’électrons fournis par le réducteur à l’oxydant pendant le fonctionnement) durant le temps $\rm \Delta t$, alors : $\rm Q = n \times N_A \times e$ avec $\rm N_A$ le nombre d’Avogadro et e la charge élémentaire. 
Le produit $\rm NA \times e$ est souvent noté $\rm F$ et est appelé le Faraday. Il vaut : $\rm F = 96~500~C.mol^{-1}$. Soit $\color{red}{\rm Q = F \times n_{e^-}}$. 

La tension nominale d’une batterie ou d’une pile, en volts $\rm V$, est sa tension de fonctionnement.
L’énergie $\rm W$ disponible ou stockée dans une batterie de tension nominale $\rm U$ et de capacité $Q$ est $\rm W = Q x U$ avec $\rm W$ en joules $\rm J$, $\rm Q$ en coulombs $\rm C$ et $\rm U$ en volts $\rm V$.