Modifié le 10 octobre 2019 à 18:57

Le prix Nobel de chimie récompense les batteries lithium-ion

Le prix Nobel de chimie consacre une invention qui a révolutionné nos vies quotidiennes: la batterie au lithium.
Le prix Nobel de chimie consacre une invention qui a révolutionné nos vies quotidiennes: la batterie au lithium. 19h30 / 2 min. / le 09 octobre 2019
Le prix va à "un monde rechargeable" et durable, comme l'a annoncé le Comité Nobel. Il récompense trois chimistes dont les recherches ont été en majorité accomplies dans les années 1980.

Trois chercheurs sont les lauréats du prix Nobel de chimie 2019: John B. Goodenough, 97 ans, de l'Université du Texas, M. Stanley Whittingham, 78 ans, de la State University de New York, et Akira Yoshino, 71 ans, de l'Université Meijo de Nagoya au Japon.

Ils ont réussi à inventer la batterie la plus puissante qui soit. Légère, rechargeable et puissante, elle est très utile: elle peut servir à des voitures électriques capables de parcourir de longues distances, des pacemakers, des batteries pour la téléphonie mobile, des ordinateurs, notamment. Sa demande explose face à l'urgence climatique (écouter Jacques Dubochet ci-dessous).

>> Modèle de batterie traditionnelle:

Modèle de batterie basique: l'oxydation-réduction spontanée aux électrodes résulte en un courant électrique à travers le circuit.
Modèle de batterie basique: l'oxydation-réduction spontanée aux électrodes résulte en un courant électrique à travers le circuit. [Johan Jarnestad - The Royal Swedish Academy of Sciences]

Dans le sillage des crises pétrolières des années 1970, Stanley Whittingham, aujourd'hui professeur à la Binghamton University, dans l'Etat de New York, se met en quête de sources d'énergie non-fossiles. C'est ainsi qu'il découvre une méthode pour produire de l'énergie à partir du lithium

Le lithium est un composant clef de l'invention: un élément métallique qui flotte brièvement dans l'eau, sa faiblesse – sa réactivité – est aussi sa force. Comme il est léger et occupe peu de volume, il peut être stocké dans un petit espace et être très efficace.

>> La batterie de M. Stanley Whittingham:

L'avantage de la batterie au lithium de M. Stanley Whittingham, c'est que les ions de lithium étaient stockés dans les espaces du disulphide de titane, dans la cathode. Lorsque la batterie était en fonction, les ions de lithium circulaient du lithium dans l'anode jusqu'au disulphide de titane, dans la cathode. Quand on chargeait la batterie, les ions de lithium circulaient à nouveau.
L'avantage de la batterie au lithium de M. Stanley Whittingham, c'est que les ions de lithium étaient stockés dans les espaces du disulphide de titane, dans la cathode. Lorsque la batterie était en fonction, les ions de lithium circulaient du lithium dans l'anode jusqu'au disulphide de titane, dans la cathode. Quand on chargeait la batterie, les ions de lithium circulaient à nouveau. [Johan Jarnestad - The Royal Swedish Academy of Sciences]
 

L'importance des ions

Mais le lithium métallique a aussi des défauts, notamment dans le voltage. Et c'est le docteur Goodenough qui a trouvé une solution en 1984 pour que les ions du lithium puissent circuler librement dans la batterie et qu'elle soit plus efficace: il produit de l'énergie à partir d'oxyde métallique au lieu de disulfure.

En 1980, John Goodenough démontre que la combinaison d'oxyde de cobalt et d'ions de lithium peut produire jusqu'à 4 volts.

>> La batterie de John B. Goodenough:

John B. Goodenough a commencé à utiliser de l'oxyde de cobalt dans la cathode de la batterie au lithium. Cela a eu pour effet de presque doubler le potentiel de la batterie et l'a rendue bien plus puissante.
John B. Goodenough a commencé à utiliser de l'oxyde de cobalt dans la cathode de la batterie au lithium. Cela a eu pour effet de presque doubler le potentiel de la batterie et l'a rendue bien plus puissante. [Johan Jarnestad - The Royal Swedish Academy of Sciences]

Le docteur Yoshino a aussi réfléchi au remplacement du lithium et a fait des expériences avec du carbone: au téléphone avec le Comité Nobel, le chimiste affirme que "c'est la curiosité" qui a mené ses recherches.

>> La batterie d'Akira Yoshino:

Akira Yoshino a développé la première batterie au lithium-ion commercialement viable. Il a utilisé l'oxyde de lithium-cobalt de John Goodenough dans la cathode et il a mis un matériau de carbone dans l'anode – du coke de pétrole – qui peut aussi intercaler des ions de lithium. La fonctionnalité de la batterie n'est pas basée sur des réactions chimiques destructives. A la place, les ions de lithium vont et viennent entre les électrodes, ce qui donne une longue durée de vie à la batterie.
Akira Yoshino a développé la première batterie au lithium-ion commercialement viable. Il a utilisé l'oxyde de lithium-cobalt de John Goodenough dans la cathode et il a mis un matériau de carbone dans l'anode – du coke de pétrole – qui peut aussi intercaler des ions de lithium. La fonctionnalité de la batterie n'est pas basée sur des réactions chimiques destructives. A la place, les ions de lithium vont et viennent entre les électrodes, ce qui donne une longue durée de vie à la batterie. [Johan Jarnestad - The Royal Swedish Academy of Sciences]

Deux électrodes libèrent des ions de lithium et passent d'un matériaux à l'autre, rendant la batterie très sûre. Les trois chimistes n'ont étonnamment jamais travaillé ensemble, mais chacun de son côté.

Une batterie universelle

Le chimiste Akira Yoshino, fraîchement nobelisé, pose avec un gros bouquet de fleurs à Tokyo. Le chimiste Akira Yoshino, fraîchement nobelisé, pose avec un gros bouquet de fleurs à Tokyo. [Yuta Omori - Keystone/Kyodo News via AP] Cette invention peut à la fois être utilisée dans des éléments très petits, comme les aides auditives, ou très grands, comme des voitures.

La batterie au lithium-ion "peut également conserver des quantités significatives d'énergie solaire et éolienne, ouvrant la voie à une société libérée des énergies fossiles", a expliqué l'Académie suédoise royale des sciences qui décerne le prix.

"Je pense que le changement climatique est un défi très grave pour l'humanité et les batteries au lithium-ion peuvent stocker de l'électricité", a réagi Akira Yoshino.

"Ils ont travaillé pour le bénéfice de l'Humanité", a souligné l'un des membres du Nobel.

Heureux!

A 97 ans, l'Américain John Goodenough devient le plus vieux lauréat nobélisé de l'Histoire. Dans une interview donnée au magazine Nature, le chimiste avoue qu'il était en train de se brosser les dents lorsqu'on lui a appris la nouvelle.

Il s'est dit "très reconnaissant de recevoir cet honneur": "C'est fantastique, mais je suis la même personne qu'auparavant", ajoute-t-il avant d'éclater de rire.

"A mon âge, ça ne fait pas grande différence!" Pour lui, c'est une suprise qu'il était impossible d'anticiper.

Le presque centenaire explique que, oui, il est toujours actif: "Je vais au laboratoire tous les jours. Je travaille encore, oui. Que ferais-je d'autre? Prendre ma retraite et attendre la mort? Non, je ne pense pas!", laissant éclater son rire joyeux et communicatif (écouter ci-dessus).

Stéphanie Jaquet

>> Ecouter la réaction de Jacques Dubochet, biochimiste suisse et prix Nobel de chimie en 2017:

Jacques Dubochet, prix Nobel de chimie en 2017.
Laurent Gillieron - Keystone
Le 12h30 - Publié le 09 octobre 2019

Publié le 09 octobre 2019 à 12:18 - Modifié le 10 octobre 2019 à 18:57

Le lithium aujourd'hui

Si au début, seulement 6% de la production mondiale de lithium était destinée aux batteries, elle en représente aujourd'hui 35%.

Outre les batteries, il sert dans la fabrication de vitres, de céramiques, d'aluminium, de médicaments.

Tirée par une demande en hausse, la production mondiale n'a cessé de croître ces dernières années: +74% en 2017, puis +23% en 2018 à 85'000 tonnes de lithium, selon le rapport annuel du Service géologique des Etats-Unis (USGS).

En 2018, l'Australie a été le premier producteur mondial de lithium (51'000 tonnes), suivi du Chili (16'000), de la Chine (8000) et de l'Argentine (6200).

afp

Les LED bleues de Nagoya

L'un des chercheurs récompensé par le Nobel de chimie, Akira Yoshino, est issu du monde académique de Nagoya.

Une ville japonaise qui a vu deux de ses professeurs recevoir le prix Nobel de physique en 2014: Isamu Akasaki et Hiroshi Amano (Nagoya University) ont été récompensés avec Shuji Nakamura (University of California) pour leur invention de diodes électroluminescentes (LED) émettant avec efficacité de la lumière bleue. Une avancée technologique qui a révolutionné l'éclairage – en ouvrant la voie aux LED blanches (beaucoup moins consommatrices d'énergie que les éclairages habituels) – et le stockage des données.

Les diodes rouges et vertes existaient déjà depuis un demi-siècle... mais le bleu était bien plus difficile à obtenir. La découverte de la composante bleue en 1992 a permis notamment de développer plus tard des disques optiques avec une plus grande capacité – menant à la mise au point des lecteurs blu-ray.

Les LED bleues sont utilisée notamment dans les flashes, les écrans plats, les lampes des smartphones ou des appareils photos.

sjaq