La nouvelle est tombée peu avant midi, ce mercredi 9 octobre. Le prix Nobel de chimie 2019 est attribué à John Goodenough, Stanley Whittingham et Akira Yoshino. Ils sont les trois inventeurs de celle que l’on ne présente presque plus tant elle est installée dans nos vies : la batterie lithium-ion.
La batterie lithium-ion : pas une semaine ne passe sans qu’il en soit question. Elle se cache dans nos téléphones portables, dans nos ordinateurs, mais aussi dans nos voitures électriques. Certains l’imaginent même jouer un rôle majeur dans notre transition vers un recours massif aux énergies renouvelables. Et aujourd’hui, elle est mise à l’honneur par la Royal Swedish Academy of Sciences. Ce sont en effet trois pionniers du développement de cette technologie qui ont été désignés lauréats du prix Nobel de chimie 2019 : John Goodenough (États-Unis), Stanley Whittingham (Royaume-Uni) et Akira Yoshino (Japon).
Rappelons que le lithium (Li) est le métal le plus léger que nous connaissions. Un atout indéniable pour nombre d’applications. Mais il est aussi extrêmement réactif. Une faiblesse qui s’est finalement avérée faire sa force. Car, particulièrement prompt à libérer son unique électron de valence — pour devenir un ion lithium (Li+) –, il a très vite intéressé ceux qui cherchaient des solutions de remplacement aux énergies fossiles.
Dans la batterie au lithium de Whittingham, les ions lithium sont stockés dans les intervalles laissés entre les couches du disulfure de titane qui constituent la cathode. © Johan Jarnestad, The Royal Swedish Academy of Sciences
La première batterie de Whittingham
L’histoire de la batterie lithium-ion commence ainsi dans les années 1970, avec les travaux de Stanley Whittingham parti de l’université de Stanford (États-Unis) pour rejoindre le géant du pétrole Exxon en 1972. Il propose un schéma de batterie révolutionnaire, une première batterie au lithium capable de fournir… 2 volts ! C’est bien plus que les autres batteries disponibles à l’époque.
À la base, une cathode constituée de disulfure de titane (TiS2), un matériau inorganique structuré en couches dont les intervalles permettent d’accueillir les ions lithium. Car, avec son équipe, il avait au préalable découvert qu’intercaler ainsi des ions dans un sulfure métallique — dont la conductivité est déjà bonne — dope sa conductivité, augmentant sa densité d’énergie.
L’anode de la batterie de Stanley Whittingham est, quant à elle, composée de lithium métallique en raison de sa propension à céder facilement des électrons. Mais le lithium métallique est trop réactif. Il pose des problèmes de sécurité qui renvoient alors la batterie dans les laboratoires. Responsables : des courts-circuits à l’origine de plusieurs incendies. Pour pallier le problème dans l’urgence, de l’aluminium est glissé entre les deux électrodes. Mais les spécialistes ont déjà conscience qu’une autre solution devra être trouvée.
De la batterie de John Goodenough, pas encore satisfaisante, à celle d’Akira Yoshino, comme un déclic
Un peu plus tard, en 1980, John Goodenough se tourne vers un oxyde métallique — plutôt qu’un sulfure métallique — pour construire sa cathode. De l’oxyde de cobalt — lui aussi structuré en couches superposées — plus précisément. Son espoir : apporter de la puissance supplémentaire à sa batterie. Et cela fonctionne. Il développe une batterie au lithium de… 4 volts ! Le tout sans ajouter au poids du système. Un pas décisif vers l’électronique sans fil.
Mais il faut attendre 1985 pour qu’Akira Yoshino propose une solution au problème du lithium métallique toujours utilisé pour fabriquer les anodes. Il le remplace par du coke de pétrole, un sous-produit de l’industrie du pétrole. Ce matériau carboné présente, comme l’oxyde de cobalt, des couches dans l’intervalle desquelles les ions lithium peuvent se loger. C’est ainsi que née la toute première batterie lithium-ion commercialisable : une batterie légère, résistante et qui peut être chargée des centaines de fois sans que ses performances ne se détériorent trop.
Un grand bénéfice pour l’humanité
Lorsque les batteries imaginées par Akira Yoshino sont arrivées sur le marché au début des années 1990, c’est toute l’électronique qui a été révolutionnée et miniaturisée. Elles ont depuis encore été améliorées. John Goodenough a, par exemple, proposé de remplacer l’oxyde de cobalt par un phosphate de fer plus respectueux de l’environnement. Et d’autres cherchent encore à inventer une batterie qui se montrera bien plus efficace.
Aujourd’hui, la technologie a investi les voitures électriques. Demain, elle pourrait nous aider à intégrer les énergies renouvelables intermittentes notamment à notre mix énergétique et le rendre ainsi plus durable. De quoi, comme le veut la tradition des prix Nobel, apporter un « grand bénéfice à l’humanité ».
- John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham et Akira Yoshino ont obtenu la récompense suprême du prix Nobel de chimie 2019 pour le développement de la batterie lithium-ion.
- C’est une technologie que nous utilisons au quotidien.
- Elle pourrait, à l’avenir, nous aider à réussir notre transition énergétique.