Une pile (appelée aussi communément batterie) désigne un ensemble d’éléments individuels produisant de l’électricité par voie de réaction chimique. Ces éléments sont classés en éléments primaires et en éléments secondaires. Dans les premiers, la réaction chimique produisant le courant d’électrons est irréversible; il est donc difficile de recharger les éléments. Les éléments secondaires, par contre, sont chargés avant utilisation en y faisant circuler un courant électrique; ils offrent l’avantage de pouvoir être rechargés et déchargés de nombreuses fois.

La batterie primaire classique est la pile sèche Leclanché, ainsi appelée parce que l’électrolyte est une pâte et non un liquide. Un exemple type d’élément Leclanché est fourni par les piles rondes ou plates qui équipent les lampes de poche, les radios portatives, les calculettes, les jouets électriques et bien d’autres articles similaires. Depuis quelques années, les piles alcalines, comme les piles au zinc-dioxyde de manganèse, tendent à se répandre pour ce type d’utilisation. Les piles miniatures, dites «piles boutons», sont employées dans les prothèses auditives, les ordinateurs, les montres, les appareils photographiques et autres matériels électroniques. Il s’agit notamment des piles à l’oxyde d’argent-zinc, au mercure, au zinc-air ou au lithium-dioxyde de manganèse. Une vue en coupe d’une pile miniature alcaline type est représentée à la figure 81.2.

La pile secondaire la plus courante (appelée aussi batterie d’accumulateurs) est la batterie au plomb, largement utilisée dans les transports, mais employée également dans les centrales électriques et l’industrie. Les outils, brosses à dents, lampes de poche et autres appareils portatifs fonctionnant sur piles rechargeables sont un nouveau marché pour les batteries secondaires. Les piles au nickel-cadmium sont de plus en plus appréciées, notamment sous forme de batteries portatives pour les éclairages de secours, ainsi que pour le démarrage de moteurs diesel et des applications stationnaires ou de traction, où leur fiabilité, leur longue durée de vie, leur aptitude à être rechargées fréquemment et leurs performances à basse température compensent leur coût plus élevé.

Les batteries rechargeables à l’étude pour les véhicules électriques sont de types lithium-sulfure de fer, zinc-chlore ou sodium-soufre.

Le tableau 81.1 donne la composition de certaines piles courantes.

Les procédés de fabrication des divers types de piles diffèrent nettement entre eux, mais ils comportent plusieurs opérations communes (pesage, broyage, malaxage, pressage et séchage des ingrédients). Dans les fabriques modernes, un grand nombre de ces opérations sont automatisées et s’effectuent à l’intérieur d’enceintes étanches. C’est surtout au cours du pesage et du chargement des ingrédients et lors du nettoyage des installations que le personnel peut être exposé à un risque.

Dans les fabriques anciennes, une bonne partie des opérations de broyage, de malaxage ou autres se font manuellement; parfois le transfert des ingrédients d’une opération à une autre s’opère aussi à la main. Le risque d’inhalation de poussières ou de contact de substances corrosives avec la peau est alors élevé. Les précautions à prendre dans les opérations génératrices de poussières comprennent le confinement total et la mécanisation de la manutention et du pesage des poudres, une aspiration localisée, le nettoyage quotidien à l’eau ou à l’aspirateur et le port d’appareil de protection respiratoire et autres équipements de protection individuelle pendant les travaux de maintenance.

Le bruit provenant des machines de pressage et d’enveloppement constitue lui aussi un danger. Il est indispensable d’appliquer des mesures de prévention technique et de prévoir des programmes de protection de l’ouïe.

Les électrolytes des piles contiennent souvent de l’hydroxyde de potassium, qui est un produit corrosif; le confinement et la protection de la peau et des yeux sont recommandés. Il existe également un risque d’exposition à des particules de métaux toxiques comme l’oxyde de cadmium, le mercure, l’oxyde mercurique, le nickel et ses composés ainsi que le lithium et ses composés, qui constituent les anodes ou les cathodes de certains types de piles.

Le lithium est un métal très réactif; il est donc nécessaire d’assembler les piles au lithium en atmosphère sèche pour éviter toute réaction avec la vapeur d’eau. Le dioxyde de soufre et le chlorure de thionyle employés dans certaines piles au lithium sont dangereux pour les voies respiratoires. L’hydrogène gazeux employé dans les piles au nickel-hydrogène présente un risque d’incendie et d’explosion. Ces matériaux, ainsi que ceux des nouveaux types de batteries, appellent des précautions particulières.

Les piles sèches Leclanché sont fabriquées selon le schéma de la figure 81.3. Le mélange formant l’électrode positive, ou cathode, comprend 60 à 70% de dioxyde de manganèse, le reste étant composé de graphite, de noir d’acétylène, de sels d’ammonium, de chlorure de zinc et d’eau. Le dioxyde de manganèse, le graphite et le noir d’acétylène secs et finement broyés sont pesés et introduits dans un broyeur-malaxeur. On ajoute un électrolyte composé d’eau, de chlorure de zinc et de chlorure d’ammonium, et le mélange préparé est introduit à la main dans une presse de pastillage ou d’agglomération. Dans certains cas, le mélange est séché au four, tamisé et réhumidifié avant pressage. Les pastilles sont contrôlées et on les laisse durcir pendant quelques jours avant de les envelopper au moyen de machines alimentées à la main. Ces pastilles agglomérées sont ensuite déposées sur des plateaux et plongées dans l’électrolyte; elles sont alors prêtes pour l’assemblage.

L’anode est constituée d’un boîtier de zinc, fabriqué à partir de flans de zinc sur une presse à chaud, ou fait de tôles de zinc pliées et soudées au boîtier. Une pâte organique gélatineuse composée d’amidons de maïs et de blé imprégnés d’électrolyte est mélangée dans de grands bacs. Les ingrédients en sacs sont généralement déversés sans pesage. Le mélange est ensuite purifié avec de la limaille de zinc et du dioxyde de manganèse. On ajoute à l’électrolyte du chlorure mercurique qui forme alors un amalgame gélifié au contact de l’intérieur du boîtier de zinc. C’est cette pâte qui constituera le milieu conducteur, ou électrolyte.

Lors de l’assemblage des éléments, la quantité voulue de pâte gélifiée est dosée et versée automatiquement dans les boîtiers de zinc pour y former un revêtement intérieur. Dans certains cas, les boîtiers reçoivent une finition chromatée, que l’on réalise en les remplissant d’un mélange d’acides chromique et chlorhydrique, et que l’on évacue ensuite avant d’ajouter la pâte gélifiée. La cathode agglomérée est ensuite mise en place au centre du boîtier. Une tige de charbon placée au centre de la cathode fait office de collecteur de courant.

L’élément de zinc est alors scellé à la cire ou à la paraffine fondues, puis chauffé à la flamme pour renforcer l’étanchéité. Les éléments sont ensuite soudés entre eux s’il y en a plusieurs. La réaction au sein d’une pile est la suivante.

Les travailleurs peuvent être exposés au dioxyde de manganèse au cours du pesage, du chargement des malaxeurs, du broyage, du nettoyage des fours, du tamisage, ainsi que du pressage et de l’enveloppement manuels selon le degré d’automatisation, de confinement et de ventilation par aspiration. Le pressage et l’enveloppement humide manuels peuvent occasionner une exposition au mélange humide, dont les dépôts donnent en séchant des poussières susceptibles d’être inhalées. Le contact de la peau avec l’électrolyte légèrement corrosif peut provoquer des dermites. Des mesures d’hygiène individuelle, le port de gants et d’un appareil de protection respiratoire lors de la maintenance, des douches et des armoires séparées pour les vêtements de travail et de ville permettent de réduire les risques. Le fonctionnement des presses de pastillage et d’enveloppement peut présenter également des risques dus à l’exposition au bruit.

La pâte gélatineuse est malaxée automatiquement; le seul risque d’exposition est lié aux opérations d’apport d’ingrédients. Lorsqu’on ajoute du chlorure mercurique à la pâte, il y a un risque d’inhalation et d’absorption par la peau, d’où possibilité d’intoxication par le mercure. Il est donc nécessaire de prévoir une aspiration localisée ou un équipement de protection individuelle.

Des expositions aux acides chromique et chlorhydrique répandus lors des opérations de chromatage ainsi qu’aux fumées dégagées par le soudage ou par le chauffage du produit d’étanchéité sont aussi possibles. La mécanisation du processus de chromatage, le port de gants et une ventilation avec aspiration localisée pour le thermoscellage et le soudage sont des précautions utiles.

La méthode actuelle la plus courante pour la fabrication des électrodes en nickel-cadmium consiste à déposer directement le matériau actif de l’électrode sur un substrat de nickel fritté poreux appelé plaque (voir figure 81.4.). On prépare les plaques par pressage d’une poudre de nickel frittable (souvent obtenue par décomposition de nickel carbonyle) dans une grille alvéolée constituée d’une tôle d’acier nickelé perforée (ou d’une toile métallique faite de nickel ou d’acier nickelé), suivi d’un frittage ou d’un séchage au four. Ces plaques peuvent alors être découpées, pesées et estampées (comprimées) pour des applications particulières, ou enroulées en spirale pour les piles à usage domestique.

Les plaques frittées sont ensuite imprégnées avec une solution de nitrate de nickel pour l’électrode positive et de nitrate de cadmium pour l’électrode négative. Elles sont rincées et séchées, plongées dans de l’hydroxyde de sodium pour former de l’hydroxyde de nickel ou de l’hydroxyde de cadmium, puis lavées et séchées à nouveau. L’étape suivante consiste généralement à plonger temporairement les électrodes positives et négatives dans un grand bac contenant 20 à 30% d’hydroxyde de sodium. Des cycles de charge-décharge sont effectués pour éliminer les impuretés, et les électrodes sont enfin retirées, lavées et séchées.

Une autre technique de fabrication des électrodes de cadmium consiste à préparer une pâte d’oxyde de cadmium additionnée de graphite, d’oxyde de fer et de paraffine, qui est broyée et finalement compactée par passage entre des rouleaux pour former le matériau actif. Celui-ci est ensuite pressé sur un ruban d’acier perforé en mouvement, qui est alors séché, parfois compressé, puis découpé en plaques. Les talons peuvent être fixés à ce stade.

Les étapes suivantes sont l’assemblage des éléments et de la batterie. Pour les grandes batteries, on assemble ensuite les électrodes individuelles en groupes, les plaques de polarité opposée étant séparées par des intercalaires de plastique. Ces groupes d’électrodes, qui peuvent être vissés ou soudés ensemble, sont placés dans un bac en acier nickelé. Il existe également, depuis peu, des bacs en matière plastique. Les éléments sont remplis d’un électrolyte composé d’une solution d’hydroxyde de potassium avec, parfois, de l’hydroxyde de lithium. Ils sont ensuite assemblés en batteries et vissés ensemble. Les éléments en plastique peuvent être fixés par collage ou par ruban adhésif. Chacun d’eux est relié au suivant par des conducteurs qui aboutissent, aux extrémités de la batterie, à une borne positive et à une borne négative.

Dans le cas des piles rondes, on assemble les plaques imprégnées en groupes d’électrodes en enroulant les électrodes positives et négatives, séparées par un matériau isolant, pour former un cylindre étanche qui est ensuite placé dans un bac en métal nickelé. On ajoute alors l’hydroxyde de potassium constituant l’électrolyte et l’élément est scellé par soudage.

Les réactions chimiques au cours des cycles de charge-décharge des piles au nickel-cadmium sont les suivantes:

Les principaux risques d’exposition au cadmium sont liés à la manutention de nitrate de cadmium et de sa solution pendant la préparation de la pâte à partir d’oxyde de cadmium pulvérulent, ainsi qu’à la manipulation des poudres actives sèches. La récupération du cadmium sur les plaques de rebut peut également entraîner une exposition. Le confinement et l’automatisation du pesage et du malaxage permettent de limiter ces dangers dans les premiers stades du processus.

Des mesures analogues permettent de contrôler les expositions aux composés du nickel. La production de nickel fritté à partir de nickel carbonyle, quoique réalisée dans des machines étanches, présente un risque d’exposition à des produits extrêmement toxiques, le nickel carbonyle et le monoxyde de carbone. Un contrôle permanent des fuites de gaz s’impose dans ce processus.

La manipulation des hydroxydes de potassium ou de lithium, qui sont des produits toxiques, exige une ventilation adéquate et le port d’un équipement de protection individuelle. Le soudage, de son côté, produit des fumées et nécessite une aspiration localisée.

Les risques les plus graves pour la santé dans la fabrication des piles classiques sont les expositions au plomb, au cadmium, au mercure et au dioxyde de manganèse. Les dangers du plomb sont décrits plus haut dans le présent chapitre et dans d’autres parties de la présente Encyclopédie , notamment au chapitre no 63, «Les métaux: propriétés chimiques et toxicité». Le cadmium peut provoquer des maladies rénales et est cancérogène. On a constaté que l’exposition à ce métal était très répandue dans les fabriques américaines de production de piles au nickel-cadmium, où de nombreux travailleurs ont dû être réaffectés à d’autres emplois pour des raisons médicales, conformément aux prescriptions de la norme sur le cadmium de l’Administration américaine de la sécurité et de la santé au travail (Occupational Safety and Health Administration (OSHA)), en raison de concentrations excessives de ce métal dans le sang et les urines (McDiarmid et coll., 1996). Le mercure affecte les reins et le système nerveux. Des études sur plusieurs usines de fabrication de piles au mercure ont montré une exposition excessive aux vapeurs de mercure (Telesca, 1983). On a constaté des expositions importantes au dioxyde de manganèse dans les zones de malaxage et de manutention des usines de fabrication de piles sèches alcalines (Wallis, Menke et Chelton, 1993). Ces expositions peuvent occasionner des déficits neurofonctionnels parmi le personnel (Roels et coll., 1992). Les pous-sières de manganèse absorbées en quantités excessives peuvent causer des troubles du système nerveux central analogues au syndrome de Parkinson. D’autres métaux, comme le nickel, le lithium, l’argent et le cobalt, peuvent aussi présenter des risques.

L’exposition aux solutions de chlorure de zinc, d’hydroxyde de potassium, d’hydroxyde de sodium ou d’hydroxyde de lithium utilisées dans les électrolytes peut être à l’origine de brûlures cutanées.