Comment les inventeurs de batteries lithium-ion ont changé le monde

Le prix Nobel de chimie de cette année est partagé par Michael Stanley Whittingham, John Bannister Goodenough et Akira Yoshino.

Ces trois scientifiques de renommée mondiale méritent un énorme crédit pour leur contribution à la technologie des batteries au lithium-ion (LIB).

La décision d’attribuer le prix à plus d’une personne reflète correctement le fait que cette technologie n’est pas sortie tout de suite du laboratoire du donjon d’un génie individuel, mais plutôt d’une histoire de résolution systématique de problèmes.

Les LIB ont eu un impact énorme sur notre société. Ils permettaient l’utilisation d’appareils électroniques portables modernes tels que les ordinateurs portables et les téléphones portables.

Et ils permettent aujourd’hui des transports propres et sobres en carbone, qu’il s’agisse de voitures électriques ou même de taxis volants, et le stockage d’énergies renouvelables à l’échelle d’un réseau.

Le succès des LIBs s’explique par le fonctionnement des batteries. Une cellule de batterie libère l’énergie d’une réaction chimique sous forme d’électricité.

Si la réaction interne est puissante, cela donne une haute tension. Et si les matériaux de la cellule ne prennent pas trop de place et ne sont pas non plus trop lourds, cela lui donne une densité énergétique élevée en termes de volume et de poids.

Le lithium est un élément très réactif et le métal le plus léger du tableau périodique, c’est pourquoi il coche ces deux cases.

C’est pourquoi les LIBs sont rapidement devenus une partie cruciale de l’électronique après leur commercialisation au début des années 1990.

L’utilisation du lithium pour le stockage électrochimique de l’énergie est un jeu d’enfant à l’arrière d’une enveloppe.

Mais cette même réactivité qui augmente le contenu énergétique rend également très difficile la construction d’une cellule qui peut être maintenue en état de charge en toute sécurité, vidée de son énergie par le courant électrique, puis ramenée à l’état chargé simplement en renvoyant ce courant.

Whittingham a pris une longueur d’avance, dans les années 1970, en développant et commercialisant plus tard (via Exxon) la première batterie rechargeable au lithium. Elle s’est appuyée sur le composé disulfure de titane (TiS₂), qui non seulement conduit l’électricité mais peut aussi contenir du lithium dans son réseau cristallin.

Si un morceau de lithium est placé à côté d’un morceau de TiS₂ dans une substance connue sous le nom d’électrolyte, le métal se dissout et les particules chargées de lithium connues sous le nom d’ions lithium se déplacent spontanément et restent dans le TiS₂.

En même temps, les électrons sont transférés du lithium métal (l’électrode négative) au TiS₂ (l’électrode positive), ce qui nous permet de tirer un courant de la batterie.

Pendant le processus de recharge, le courant est inversé et le lithium est expulsé du TiS₂ et renvoyé vers le gisement métallique.

Mais l’une des particularités du lithium est sa tendance à former des aiguilles et des dendrites (longues structures ramifiées) pendant ce processus de recharge. Ceux-ci peuvent provoquer des courts-circuits internes, ce qui rend la première génération de piles rechargeables au lithium intrinsèquement dangereuse.

Goodenough a découvert dans les années 1980 que l’oxyde de cobalt et de lithium était une meilleure alternative au TiS₂ dans un LIB. Ce matériau contient du lithium mais est moins réactif avec son environnement et donc plus facile à manipuler dans le processus de fabrication.

L’oxyde de lithium et de cobalt est devenu le matériau « père » de la plupart des LIB commerciaux modernes et a alimenté les premières générations de téléphones portables.

Aujourd’hui, même les électrodes à haute énergie de pointe – comme le NMC 811 – qui augmentent l’autonomie de la prochaine génération de véhicules électriques sont essentiellement fabriquées à partir d’oxyde de lithium cobalt, le cobalt étant largement remplacé par du nickel et du manganèse dans une structure cristalline par ailleurs similaire.

Les mines de cobalt sont rares et souvent associées à de mauvaises conditions de travail, il y a donc un avantage supplémentaire à pouvoir éviter d’utiliser ce métal.

Puis, à la fin des années 1980, Yoshino a construit la première batterie au lithium rechargeable commercialement viable qui utilisait le graphite au lieu du lithium métallique comme électrode négative.

Dans cette architecture, également utilisée dans les cellules modernes, le lithium se déplace entre deux structures hôtes différentes : l’oxyde de cobalt et le graphite. Ceci (en principe) élimine le lithium métallique et évite la formation de dendrite.

Yoshino mérite également d’être félicité pour avoir développé l’architecture qui a permis l’utilisation d’électrolytes organiques, fournissant des tensions deux fois plus élevées que celles des électrolytes à base d’eau traditionnels.

Mais la mauvaise conductivité des électrolytes organiques signifie que les électrodes positive et négative doivent être minces et placées à proximité l’une de l’autre.

Yoshino a trouvé des moyens d’enduire les matériaux actifs des électrodes sur des feuilles métalliques minces et a réussi à séparer les électrodes positives et négatives par un maillage fin.

Ce n’est qu’ainsi que la première génération de LIB pourrait concurrencer la performance énergétique et énergétique des batteries nickel-hydrure métallique qui dominaient l’électronique portable au début des années 1990.

Un succès partagé

Goodenough et Yoshino se partagent déjà le Prix Charles Stark Draper 2014, qui a également été attribué à Rachid Yazami et Yoshio Nishi.

Ces deux-là méritent d’être félicités pour leurs découvertes et inventions qui ont permis l’utilisation d’électrodes en graphite et qui ont amené les LIBs sur le marché de masse, respectivement.

Le succès des LIBs a également eu quelques aides indirectes dont il faut se souvenir en vue des futures commercialisations technologiques.

Dans les années 1990, la microélectronique moderne a permis d’unir les caméras vidéo et les magnétophones en un seul appareil. Soudain, le poids et la longévité des batteries sont devenus des goulots d’étranglement dans la conception des produits sur un marché lucratif en pleine croissance, ce qui a ensuite alimenté la demande en LIBs.

Dans le même temps, les CD et DVD réinscriptibles provoquaient le début de la fin de l’activité des cassettes audio et vidéo.

Mais les procédés de revêtement et les machines utilisées pour construire les premiers LIB ont été adaptés de la fabrication des bandes magnétiques. Il n’est donc pas clair si les LIB auraient réussi sans cette expertise préexistante en matière de fabrication.

Le dernier défi à relever est d’étendre la production de masse de la LIB de l’électronique portable aux marchés de l’automobile et de l’énergie, ce qui exige des efforts concertés à l’échelle mondiale.

Les trois lauréats du prix Nobel doivent certainement être heureux de voir les fruits de leur travail inspirer des projets de recherche tels que JCESR”, “Batteries 2030+” et Faraday InstitutionCe travail ne fait que commencer.

Via The Conversation, écrit par Harry Hoster.

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