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Le Nobel de chimie aux pères des batteries lithium-ion

  • des batteries lithium-ion: 锂电池

David Larousserie

Deux Américains et un Japonais sont primés pour les piles qui, depuis les années 1990, ont envahi l’électronique portable et l’automobile

L’académie suédoise s’est amusée d’avoir battu un record en attribuant, mercredi 9 octobre, son prix Nobel de chimie à l’Américain John Goodenough, né en Allemagne en 1922 : il devient son plus vieux lauréat. Mais le plus important est la contribution récompensée, la batterie lithium-ion, désormais omniprésente : téléphones et ordinateurs portables, appareils photo, baladeurs ou même véhicules électriques… « C’est l’une des grandes avancées du siècle dernier, avec le transistor ou la fibre optique », salue Jean-Marie Tarascon, professeur au Collège de France, pionnier de ce type de batteries.

  • omnipresent: 无处不在

Le jury a récompensé trois acteurs-clés de cette technologie. Par ordre chronologique d’intervention, l’Anglo-Américain Stanley Whittingham, né en 1941, de l’université Binghamton (Etat de New York), John Goodenough, de l’université du Texas, et le Japonais Akira Yoshino, né en 1948, de l’entreprise Asahi Kasei Corporation et de l’université Meijo, à Nagoya. Ils ont permis de concentrer un maximum d’électrons dans des matériaux de façon réversible, afin de les libérer à la demande. Pour l’essentiel, ces électrons sont arrachés du lithium, un métal très léger, où ils sont concentrés dans un minimum de place.

Potentiel multiplié par trois

Au milieu des années 1970, les batteries contiennent peu d’énergie et sont composées de deux électrodes plongées dans une solution aqueuse, qui se dégrade vite et limite leur performance. Stanley Whittingham réalise qu’un nouveau matériau feuilleté à base de lithium, de titane et de soufre, peut changer la donne en servant d’« éponge » à lithium à une des deux polarités de la pile. Tandis que les électrons foncent dans les fils électriques, le lithium, dénudé d’un de ses électrons, passe d’une électrode à l’autre dans un électrolyte sans eau. Le potentiel de cette première pile est triplé !

  • une solution aqueuse: 水溶液
  • changer la donne: 改变形势

Puis, en 1980, John Goodenough améliore cette électrode en utilisant un oxyde de lithium et cobalt. Presque une amélioration du double, qui vient de la modification des niveaux d’énergie des électrons dans le matériau.

Mais, comme un cœur, une batterie a deux ventricules, les fameuses électrodes : celle où arrivent les électrons pendant une décharge et celle d’où ils partent. Si la première, appelée cathode, a été améliorée par les deux premiers lauréats, la seconde, l’anode, l’a été par le troisième, Akira Yoshino. En 1985, il remplace le lithium métallique utilisé jusqu’alors par un matériau à base de carbone en feuillet, un cousin du graphite. L’idée évite l’accumulation de lithium sur l’électrode, qui forme des petites branches, au point de court-circuiter la pile.

L’entreprise du lauréat sera doublée de quelques mois par Sony pour la commercialisation en 1991. En 2014, un autre jury, celui du prix Draper, décerné par l’Académie nationale d’ingénierie américaine, avait d’ailleurs récompensé, en plus d’Akira Yoshino, un de ses compatriotes, Yoshio Nishi, son concurrent chez Sony. Ce palmarès avait omis Whittingham mais avait distingué un Franco-Marocain, Rachid Yazami, à qui le jury attribuait l’invention de la fameuse anode en graphite. Ce dernier, sibyllin, se dit « surpris » par le choix du comité Nobel : « Il a couronné deux cathodes (Goodenough et Whittingham) et celui qui a réalisé le premier prototype qui fonctionne (Yoshino) et a oublié qu’une batterie a besoin d’une anode qui marche » – sous-entendu la sienne. « Il y a polémique. L’histoire est compliquée. C’est délicat d’en parler », estime un chimiste.

Pour l’anecdote, la première batterie de Sony ne contenait en fait pas de graphite mais un composé carboné, dérivé de pétrole. Et aujourd’hui, les fabricants gardent jalousement leurs recettes à base de graphite, de noir de carbone, de carbone désordonné et de divers additifs, qui ont permis de doubler les concentrations en énergie des batteries lithium-ion.

  • garder jalousement leurs recettes: 细心的保护他们的配方

En outre, souligne Christian Masquelier, professeur à l’université Jules-Verne d’Amiens, « le lithium métallique n’est pas abandonné. Il sert dans les batteries de véhicules électriques, comme les Bluecar ou Bluebus de l’entreprise Bolloré ». « J’observe depuis deux ans un engouement pour ces systèmes utilisant du lithium métallique, note Dominique Guyomard, directeur de recherche CNRS à Nantes et qui collabore avec le groupe Bolloré. Tous les industriels s’y mettent. Il faut dire qu’il y a dix fois plus d’électrons par gramme d’électrode avec les anodes métalliques. »

Les chimistes n’en ont donc pas fini avec ces batteries. Il faut par exemple encore augmenter leur capacité sans nuire à la sécurité. En effet, à force de charge et de décharge, l’électrolyte qui sépare les deux électrodes peut se dégrader, conduisant à des dégagements gazeux et donc à des explosions ou des inflammations. Christian Masquelier possède aussi des brevets avec John Goodenough pour des électrodes plus efficaces, contenant du fer et du phosphore.

  • nuire à la sécurité: 伤害安全
  • des dégagements gazeux: 气体的释放

Le cobalt, rare et cher, pourrait aussi être remplacé par du nickel, plus disponible. Le sodium pourrait même évincer le lithium. Sans compter qu’il faut aussi songer au recyclage de tous ces matériaux et produits.

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