La cellule Daniell est une sorte de batterie cuivre-zinc qui utilise une barrière poreuse entre les deux métaux. Il a été inventé en 1836 par le chimiste britannique John Frederic Daniell. Autrefois largement utilisé dans l’industrie télégraphique européenne, il a été supplanté à la fin du XIXe siècle par des conceptions de batteries plus modernes. Aujourd’hui, il est principalement utilisé en classe pour démontrer le fonctionnement des batteries.
Le scientifique italien Alessandro Volta a inventé la batterie en 1800. Sa conception utilisait une colonne de disques de zinc et de cuivre alternés, avec des morceaux de carton saturés de saumure empilés entre chaque morceau de métal. Cette pile voltaïque a été utilisée dans de nombreuses expériences électriques, mais avec moins d’une heure d’autonomie, n’avait pas de réelles applications industrielles. Daniell a modifié la conception de Volta pour créer une batterie avec une durée de vie plus longue, permettant une utilisation pratique.
Le principe de la batterie de Daniell et de celle de Volta est le même. Un soluté liquide appelé électrolyte – dans la conception de Volta, la saumure entre les plaques métalliques – commence à dissoudre le zinc et le cuivre en ions chargés positivement. Lorsque les ions quittent le métal, les électrons libres restent. Le zinc se dissout plus rapidement que le cuivre, ce qui signifie que le zinc contient bientôt plus d’électrons. Si l’on relie les deux pièces de métal avec un fil, les électrons migreront à travers le fil du zinc au cuivre, créant un courant électrique.
Si le zinc et le cuivre se dissolvent dans le même électrolyte, comme dans la pile voltaïque, deux processus raccourciront la durée de vie de la batterie. S’il est stocké sans prélèvement d’électricité, les ions de cuivre dans l’électrolyte seront attirés vers la borne de zinc chargée négativement. Ces ions vont ensuite se coupler aux électrons du zinc, neutralisant sa charge. Finalement, plus aucun zinc ne sera disponible pour la dissolution. Ce processus est connu sous le nom de réduction.
L’autre processus de destruction de la batterie se produit lorsque l’électricité est consommée. Les ions zinc pousseront l’hydrogène dans l’électrolyte vers le cuivre, où l’hydrogène s’accumule à la surface et arrête finalement le flux d’électricité. Ce processus est connu sous le nom de polarisation. La cellule Daniell a été conçue en réponse au double problème de réduction et de polarisation du zinc. Il résout ces problèmes en isolant le zinc et le cuivre dans des électrolytes séparés.
Pour fabriquer une cellule Daniell, un récipient en terre cuite non émaillé peut être rempli d’acide sulfurique et d’un morceau de zinc immergé dedans. Le récipient peut ensuite être placé à l’intérieur d’une boîte en cuivre qui a été remplie de sulfate de cuivre. La barrière de faïence maintient le zinc et le cuivre sur les faces opposées ; cela empêche les ions zinc d’envoyer de l’hydrogène au cuivre, empêchant la polarisation. Il éloigne également les ions cuivre du zinc, empêchant la réduction du zinc. Daniell a appelé sa cellule la batterie constante en raison de sa prévention de la polarisation.
Les pores de la barrière permettent aux ions sulfate chargés positivement de passer du côté cuivre au côté zinc. Cela équilibre le flux d’électrons du zinc vers le cuivre lorsque le circuit est terminé. La quantité de potentiel électrique produite par une cellule Daniell a été appelée le volt. La valeur du volt moderne est légèrement différente ; une cellule Daniell produit environ 1.1 volts d’aujourd’hui et a une résistance interne d’environ 2 ohms.