PRIX NOBEL DE CHIMIE 2019

Les travaux de ces trois chercheurs pour aboutir à la batterie Li-ion

L’histoire de la mise au point de la batterie au lithium commence dans les années 1970 par les travaux de Stanley Whittingham. Ce dernier, né le 22 décembre 1941 à Nottingham (Royaume-Uni) et diplômé de l’université d’Oxford, a d’abord travaillé chez Exxon, puis Schlumberger au développement de méthodes pouvant conduire à des technologies d’énergie sans combustibles fossiles. Il rejoint ensuite l'université de Binghamton (État de New York) en tant que professeur. Partant de recherches sur les supraconducteurs, il découvre le disulfure de titane (TiS₂), un matériau particulièrement intéressant pour fabriquer les cathodes de batteries au lithium. Dès 1965, Walter Rüdorff avait démontré la possibilité d’intercaler chimiquement (en solution) des ions lithium (Li⁺) dans ce matériau. Plus tard, le Français Jean Rouxel et son équipe, ainsi que Stanley Whittingham et Fred Gamble, ont démontré qu’il était possible d’aller plus loin en intégrant encore plus d’ions lithium (jusqu’à une mole de lithium par mole de disulfure de titane pour former Li₁TiS₂) sans trop modifier la structure cristallographique du disulfure de titane. C’est en 1973 que Stanley Whittingham explore l’intercalation électrochimique (transposition de la réaction chimique en solution dans une batterie) du Li dans TiS₂, et propose que le disulfure de titane soit un matériau d’électrode pour une batterie rechargeable au lithium. En effet, la structure lamellaire de ce matériau en fait un matériau hôte de choix pour les ions lithium qui, libérés par l’anode (électrode négative) constituée de lithium métal, sont stockés au niveau de la cathode (électrode positive) entre les couches constitutives du disulfure de titane. Et le fait que la structure cristalline de celui-ci ne soit pas trop perturbée présente un intérêt non négligeable puisque cela limite la « fatigue » du matériau, qui entraîne une moins bonne insertion réversible du Li⁺ au fur et à mesure des charges et décharges de la batterie.

Stanley Whittingham propose ainsi la première batterie rechargeable au lithium (c’est-à-dire le premier système électrochimique réversible qui échange du lithium), de potentiel supérieur à 2 volts. Rappelons que le lithium est le métal le plus léger et qu’il est extrêmement réactif.

John B. Goodenough est né le 25 juillet 1922 à Iéna, en Allemagne. Après avoir obtenu un doctorat en physique en 1952 à l'université de Chicago, il devient chercheur (1952-1976) au laboratoire Lincoln du Massachusetts Institute of Technology (MIT), dans une équipe chargée de développer la mémoire magnétique à accès aléatoire (mémoire MRAM pour magneticrandomaccess memory), puis poursuit sa carrière à l’université d’Oxford. À partir de 1986, il est professeur de génie mécanique et de sciences des matériaux à l'université du Texas à Austin.

C’est au début des années 1980 que John B. Goodenough, alors professeur à l’université d’Oxford, a proposé de remplacer le disulfure de titane TiS₂ par un nouvel oxyde métallique, l’oxyde de cobalt lithié, LiCo0₂. Ses travaux ont ouvert la voie vers des batteries capables de délivrer une tension de 4 volts, d’énergie et de puissance améliorées par rapport à la batterie TiS₂-Li. L’oxyde de cobalt lithié, matériau constitutif de la cathode, est encore utilisé dans la quasi-totalité des batteries équipant les appareils électroniques portables.

Pourtant, rapidement, cette batterie mettant en jeu une anode en lithium métal s’est avérée trop dangereuse en raison d’un risque de formation de dendrites de lithium qui finissent par mettre en contact la cathode et l’anode et engendrer des courts-circuits et un risque d’explosion. Le lithium métallique est ainsi apparu trop réactif pour constituer un matériau d’anode fiable.[...]