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.

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La batterie lithium-ion : pas une semaine ne passe sans qu'il en soit question. Elle se cache dans nos téléphones portables, dans nos ordinateursordinateurs, mais aussi dans nos voitures électriquesvoitures électriques. Certains l'imaginent même jouer un rôle majeur dans notre transition vers un recours massif aux énergies renouvelablesénergies 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 chimiechimie 2019 : John Goodenough (États-Unis), Stanley Whittingham (Royaume-Uni) et Akira Yoshino (Japon).

Rappelons que le lithium (Li) est le métalmétal le plus léger que nous connaissions. Un atout indéniable pour nombre d'applicationsapplications. Mais il est aussi extrêmement réactifréactif. Une faiblesse qui s'est finalement avérée faire sa force. Car, particulièrement prompt à libérer son unique électron de valenceélectron 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, <em>The Royal Swedish Academy of Sciences</em>
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-ionbatterie 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 pétrolepétrole Exxon en 1972. Il propose un schéma de batterie révolutionnaire, une première batterie au lithium capable de fournir... 2 voltsvolts ! C'est bien plus que les autres batteries disponibles à l'époque.

Le saviez-vous ?

Le tout pétrole est-il un choix judicieux ? La question se pose dès les années 1970. Et certaines compagnies pétrolières, parmi lesquelles Exxon, misent alors sur le potentiel de la voiture électrique en recrutant des chercheurs chargés d’étudier toutes les options. Mais la chute des prix du brut au début des années 1980 a changé la donne.

À la base, une cathodecathode constituée de disulfure de titanetitane (TiS2), un matériaumatériau 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 sulfuresulfure métallique -- dont la conductivitéconductivité est déjà bonne -- dope sa conductivité, augmentant sa densité d'énergie.

L'anodeanode 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'aluminiumaluminium est glissé entre les deux électrodesélectrodes. 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 cobaltcobalt -- 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 ferfer 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 énergétiquemix énergétique et le rendre ainsi plus durable. De quoi, comme le veut la tradition des prix Nobel, apporter un « grand bénéfice à l'humanité ».