Prix Nobel de chimie 2019 : la révolution des batteries lithium-ion

Prix Nobel de chimie 2019 :

la révolution des batteries lithium-ion

Cette année, le prix Nobel de chimie a été attribué à John Goodenough, Stanley Whittingham et Akira Yoshino pour leurs travaux cruciaux dans le développement des batteries lithium-ion.

Les trois lauréats du prix Nobel de chimie 2019, John Goodenough, Stanley Witthingham et Akira Yoshino.

Université du Texas à Austin/Jonathan Cohen, université Binghamton/A. Yoshino

« …Dans les premières batteries rechargeables, l’anode se détruisait progressivement en réagissant avec l’électrolyte, ce qui limitait la durée de vie des batteries. Dans la batterie de Stanley Whittingham, les ions lithium sont stockés dans des espaces au sein de la cathode de disulfure de titane. Quand la batterie fournit du courant, des ions se détachent de l’anode de lithium et se logent dans la cathode. Quand la batterie se recharge, les ions font le chemin inverse.

Malheureusement, sur un nombre élevé de cycles de charge de la batterie, un problème survient.

L’anode étant formée de lithium solide, une partie des atomes qui la constituent se transforment en ions lithium pendant la décharge, migrent а travers l’électrolyte pour atteindre la cathode, oщ ils se logent dans le disulfure de titane. Pendant la recharge de la batterie, tout le processus s’inverse et des atomes de lithium se reforment sur l’anode. Mais cela se fait de manière chaotique. De petites variations dans la répartition des atomes qui se forment sur l’anode entraînent l’apparition de cristaux de lithium en direction de la cathode, sur lesquels, а leur tour, de nouveaux atomes vont se déposer, ce qui fait grossir les cristaux. Cette formation s’appelle la barbe. Le problème est que, les cristaux s’agrandissant а chaque recharge, ils finissent par atteindre la cathode et causer un court-circuit, et, parfois, une explosion de la batterie, qui la met hors d’usage. Stanley Whittingham améliore alors l’anode en lui ajoutant de l’aluminium pour éviter la formation de barbe, et en changeant la composition de l’électrolyte.

La batterie inventée par Stanley Whittingham est une avancée décisive, mais elle subira des améliorations importantes.

La première est due а John Goodenough, deuxième lauréat du prix Nobel, intéressé par le développement de technologies alternatives pour stocker l’énergie. Durant ses recherches а l’université d’Oxford, il a l’idée, grâce а ses connaissances en chimie inorganique, de remplacer le disulfure de titane composant la cathode par un oxyde métallique.

En effet, il pense qu’un oxyde serait un bon candidat pour pouvoir accueillir beaucoup d’ions sans pour autant s’effondrer sur lui-même lorsque les ions sont absents, c’est-а-dire lorsque la batterie est chargée. Après avoir passé en revue de multiples possibilités, son équipe essaie le dioxyde de cobalt (CoO2), qui donne d’excellents résultats : la batterie délivre désormais 4 volts !

Néanmoins, la batterie développée par John Goodenough demande encore а être rendue plus légère, et elle est encore dangereuse а cause du bloc de lithium pur qu’elle contient, inflammable et très explosif, notamment au contact de l’eau. Vient la troisième grande innovation récompensée par le prix Nobel cette année : celle d’Akira Yoshino, chimiste et ingénieur japonais pour la Asahi Kasei Corporation. Il garde la cathode de John Goodenough, mais veut remplacer l’anode de lithium pur de Stanley Whittingham par un autre matériau ne contenant pas de lithium métallique, mais seulement des ions lithium. Des chercheurs ont déjа remarqué que des ions lithium peuvent être stockés entre des feuillets de graphite, mais que ces derniers sont dégradés par le contact de l’électrolyte. Il a alors l’idée d’utiliser du coke de pétrole, un produit des raffineries pétrolières, stable et qui peut stocker des ions lithium.

La batterie d’Akira Yoshino ne contient que des ions lithium, et plus de lithium solide. La batterie lithium-ion ainsi obtenue est stable, très légère, a une très grande capacité et délivre une tension de 4 volts. Grâce aux améliorations faites par John Goodenough et Akira Yoshino, elle supporte un grand nombre de cycles de charge (de l’ordre de la centaine) sans perdre de ses performances. Plus tard, les chercheurs ont continué а l’améliorer, mais sa capacité et son voltage n’ont pas encore été dépassés. Depuis 1991, la batterie inventée par Stanley Whittingham est utilisée dans les appareils électroniques portables. Aujourd’hui, elle est aussi utilisée dans les voitures électriques et pour stocker de l’énergie produite de manière renouvelable ; elle contribue ainsi а diminuer les émissions humaines de gaz а effet de serre. »