Une micropile à combustible
La source d'énergie utilisée dans la plupart des téléphones portables est une batterie d'accumulateurs qu'il est nécessaire de recharger régulièrement. Cette opération peut prendre du temps.
La photographie ci-dessous présente une batterie utilisée dans un téléphone portable. Elle a une hauteur de 62 mm, une largeur de 50 mm et une épaisseur de 5,0 mm.
Cette batterie assure environ deux jours d'autonomie à un téléphone portable récent.
Le tableau ci-dessous présente quelques énergies volumiques de batteries usuelles :
| Batterie | Cd - Ni | Li - ion |
| Énergie volumique (Wh / cm3) | 0,08 - 0,15 | 0,25 - 0,60 |
La pile DMFC
Institut d'électronique, de microélectronique et de nanotechnologie (CNRS / Université Lille-I / Université de Valenciennes / Isen Recherche)
Depuis le milieu des années 2000, des chercheurs développent une nouvelle source d'énergie qui pourrait être utilisée dans les téléphones portables : la micropile DMFC (Direct Méthanol Fuel Cell). Cette pile à combustible, de dimensions très réduites, utilise directement du méthanol liquide, de l'eau et le dioxygène de l'air pour produire son énergie.
La photographie ci-dessous présente une puce de silicium comportant des micro-canaux à travers lesquels circule le méthanol dans la micropile à combustible. Le réservoir de méthanol n'est pas photographié ici.
La pile à combustible DMFC utilise du méthanol liquide pour produire de l'énergie. L'énergie volumique du méthanol, plus importante que celle des batteries usuelles utilisées dans les téléphones portables, en fait un combustible intéressant. Dans ce type de pile, le méthanol est stocké dans un réservoir qui peut être rechargé rapidement.
Les équations des réactions aux électrodes s'écrivent :
- À l'anode :
\ce{CH3OH_{(l)} + H2O_{(l)} - \gt CO2_{(g)} + 6 H+_{(aq)} + 6 e- }
- À la cathode :
\ce{O2_{(g)} + 2 H+_{(aq)} + 2 e- - \gt H2O_{(l)} }
La tension de fonctionnement de la pile DMFC est de 0,50 V.
Compte tenu de toutes les contraintes techniques liées au fonctionnement de cette pile, on considère que son rendement est de l'ordre de 40%.
Données
- Masses molaires atomiques :
M\left(C\right) = 12{,}0 g.mol-1 ; M\left(H\right) = 1{,}0 g.mol-1 ; M\left(O\right) = 16{,}0 g.mol-1
- Constante d'Avogadro : N_A = 6{,}02 \times 10^{23} mol-1
- Charge électrique élémentaire : e = 1{,}60 \times 10^{-19} C
- Charge transportée par une mole d'électrons : 96{,}5 \times 10^3 C
- L'énergie E fournie par une batterie ou une pile est égale au produit de la charge électrique Q qu'elle peut fournir par la tension électrique U sous laquelle cette charge est débitée : E = Q \times U. Avec E en joules, Q en coulombs et U en volts.
- L'énergie se mesure habituellement en wattheure (Wh) mais l'unité officielle (S.I.) est le joule : 1 W.h = 3600 J
- Extrait de l'étiquette d'une bouteille de méthanol :
Question préalable
Quels calculs permettent de vérifier que l'énergie volumique de la batterie de téléphone, photographiée en introduction, est en accord avec les données énergétiques des batteries usuelles ?
Problème
Dans l'hypothèse de l'utilisation d'une micropile DMFC, quelle est la taille du réservoir de méthanol assurant la même autonomie au téléphone qu'une batterie Li-ion ?