Les électrodes sont nécessaires à la création de toute batterie. Les électrodes peuvent être classées en deux catégories : les anodes et les cathodes. Chacun de ces types d'électrodes a besoin de l'autre pour faciliter le courant électrique conventionnel qui permet à une batterie de fonctionner correctement.
En quoi une anode est-elle différente d'une cathode ?
La principale différence entre une anode et une cathode s'observe dans leur relation avec les électrons et, par extension, dans leur contribution à la réaction d'oxydoréduction.
Au cours d'une réaction électrochimique, une anode perdra des électrons dans le circuit, devenant ainsi oxydée, tandis qu'une cathode gagnera ces électrons pour être réduite. Lisez la suite pour explorer leurs différences en profondeur !
Qu'est-ce qu'une Anode ?
L'anode, au sens le plus strict, est l'électrode qui libère les électrons, et est donc le lieu qui est oxydé pendant une réaction d'oxydoréduction. Pour plus de clarté, rappelons que l'oxydation fait simplement référence à une perte d'électrons.
Lorsque les électrons sortent d'une anode et circulent dans le circuit, l'anode acquiert une charge positive. Cela attire les ions négatifs - ou anions - vers l'anode, qui pourra ensuite gagner ses électrons supplémentaires pour remplacer ceux qu'elle perd en restant active. C'est pourquoi les anodes sont également appelées accepteurs d'électrons.
Les métaux oxydants sont utilisés pour les anodes ; les plus courants sont le zinc, l'aluminium et le magnésium.
Qu'est-ce qu'une Cathode ?
Les cathodes fonctionnent exactement à l'inverse des anodes. C'est une électrode qui reçoit les électrons qui entrent par le circuit. Cet afflux d'électrons entraîne la réduction d'une cathode, complétant ainsi l'autre moitié d'une réaction d'oxydoréduction.
Avec l'ajout de ces nouveaux électrons, la cathode acquiert une charge négative. Cela entraîne le déplacement des ions positifs - également appelés cations - vers la cathode. Tant que le circuit reste actif, il donne les électrons supplémentaires qu'il reçoit à ces cations ; c'est pourquoi les cathodes sont appelées donneurs d'électrons.
Les matériaux utilisés pour fabriquer des cathodes sont notamment le lithium, le cobalt, le nickel et le manganèse.
Différences entre une Anode et une Cathode
Étymologie
Michael Faraday a été le premier à nommer les deux électrodes en réalisant une étude électrochimique en 1834, bien qu'il ait demandé l'aide de son collègue William Whewell qui a créé les termes "anode" et "cathode" pour l'article de Faraday.
Le terme "anode" est dérivé du mot grec signifiant ascension, qui était "anodos" (ἄνοδος). De même, "cathode" vient du terme grec désignant la descente, "kathodos" (κάθοδος).
Avec la découverte de l'électron, les étymologistes modernes justifient l'utilisation de ces mots car les électrons "montent" des anodes et "descendent" dans les cathodes.
Flux d'électrons
Dans un circuit, la différence de potentiel électrique à l'intérieur d'une batterie incite les électrons à sortir de l'anode et à circuler dans le circuit.
Ces électrons passent par les charges et tout autre composant du circuit avant d'atteindre et d'entrer dans la cathode.
Vous pouvez opposer cela au modèle de courant électrique conventionnel, qui fonctionne à l'inverse du flux d'électrons ; au lieu que les électrons se déplacent des anodes vers les cathodes, il considère que le flux de courant commence à partir des cathodes.
Attraction des ions
Le mouvement des électrons d'une anode vers une cathode fait que les deux électrodes acquièrent des charges.
Les anodes acquièrent une charge positive par la perte d'électrons. Cela attire les ions chargés négativement de la solution ou du matériau électrolyte.
À l'inverse, l'apport d'électrons supplémentaires fait que les cathodes deviennent chargées négativement, ce qui attire les cations à charge positive vers l'électrode.
Demi-réaction
La décharge d'une pile entraîne le déplacement d'un électron d'une espèce donneuse vers une espèce acceptrice. Ce mouvement est à la base des réactions d'oxydoréduction.
L'anode est l'électrode oxydante car elle cède des électrons au circuit. De même, l'électrode réductrice, qui reçoit lesdits électrons, est la cathode.
Charge
La question de savoir si une électrode est chargée positivement ou négativement dans une configuration donnée est une cause fréquente de confusion.
Lorsqu'une batterie est en cours de charge, l'anode est polarisée positivement et la cathode a une charge négative. Leurs charges sont inversées lorsque la batterie est utilisée.
Composants
Dans les batteries lithium-ion, le graphite - une forme de carbone très conductrice - est le matériau le plus viable commercialement pour les anodes.
Les cathodes d'une batterie lithium-ion sont généralement dérivées d'oxydes métalliques. Le plus courant d'entre eux est l'oxyde de lithium et de cobalt (LiCoO2), ou d'autres oxydes stratifiés. Des polyanions tels que le phosphate de fer lithié (LiFePO4), ou des spinelles de magnésium/aluminium tels que l'oxyde de manganèse lithié (Li/MgO2), sont également régulièrement utilisés.
Tableau de Comparaison : Anode vs Cathode
| Caractéristiques | Anode | Cathode |
| Étymologie | "Anodos", qui signifie "ascension" en grec | "Kathodos", mot grec signifiant "descente" |
| Flux d'électrons | Perte d'électrons | Gain d'électrons |
| Attraction des ions | Anions | Cations |
| Demi-réaction | Oxydation | Réduction |
| Charge | Positive (charge) Négative (décharge) | Négative (charge) Positive (décharge) |
| Composants | Carbone (graphite) | Oxydes métalliques, par exemple oxyde de lithium et de cobalt (LiCoO2) |
En quoi les Anodes et les Cathodes sont-elles Similaires ?
Les anodes et les cathodes, bien qu'elles soient littéralement opposées en termes de charge et de demi-réactions, sont toujours un élément vital de toute batterie. Sans ces électrodes, une batterie serait inutilisable.
Les électrodes facilitent le mouvement des électrons dans un circuit. Les anodes et les cathodes sont également impliquées dans les réactions d'oxydo-réduction, bien que par le biais de demi-réactions opposées. En outre, les deux électrodes se chargent lorsque le circuit est actif, et attirent leurs ions respectifs.
Enfin, les deux électrodes doivent leur nom aux travaux de Michael Faraday et William Whewell, qui ont contribué de manière décisive au domaine de l'électrochimie.
FAQ
Qui a inventé la première batterie moderne ?
On attribue au chimiste italien Alessandro Volta la création de la première pile électrochimique moderne, la pile voltaïque, en 1800.
L'unité de base de la pile voltaïque était une simple cellule électrique composée d'un disque de zinc et de cuivre entre lequel se trouvait une fine couche d'électrolyte. Plusieurs de ces paires étaient empilées les unes sur les autres, augmentant ainsi la tension de l'ensemble de la pile.
En reliant les contacts du haut et du bas avec un fil, on pouvait observer le passage d'un courant électrique.
Pourquoi les batteries lithium-ion sont-elles si répandues ?
Les batteries lithium-ion sont actuellement le type de batterie le plus utilisé pour alimenter un large éventail de produits électroniques, des écouteurs sans fils aux téléphones et ordinateurs portables.
Une batterie Li-ion présente plusieurs avantages par rapport à d'autres types de batteries concurrentes, comme la batterie nickel-cadmium. Comme elles peuvent stocker beaucoup plus d'énergie dans un petit boîtier, elles ont une densité énergétique considérable. Elles sont également capables de produire de plus grandes quantités de courant et ont une plus grande autonomie.
En outre, contrairement aux modèles Ni-Cd, les batteries Li-ion n'utilisent pas de cadmium, qui est un élément toxique.
Conclusion
Les anodes et les cathodes sont deux types d'électrodes indispensables à toute batterie.
Les principales différences entre les deux se trouvent dans leur demi-réaction, leur rôle dans le flux d'électrons et les ions qu'elles attirent.
L'anode libère des électrons dans le circuit. Au cours du processus, elle s'oxyde et acquiert une charge positive, attirant des anions dont elle prend les électrons supplémentaires.
À l'opposé, les cathodes reçoivent des électrons. Elles sont ensuite réduites, acquérant une charge négative qui attire les cations qui gagnent ses électrons supplémentaires.
