Retour sur le futur : Prix Nobel pour l’invention des batteries au lithium-ion, et ensuite ...?

Dans un article du "Huffpost", Grégory Rozières résume les années de découvertes qui ont conduit à la batterie Lithium-ion qui nous est si familière aujourd'hui et à l'attribution du Prix Nobel de Chimie 2019 à ses inventeurs l’Américain John B. Goodenough, à l’Anglais Stanley Whittingham et au Japonais Akira Yoshino le mercredi 9 octobre :

" Il (le Nobel) récompense l’invention des batteries au lithium-ion, a annoncé le comité Nobel. “Une révolution technologique” qui a changé de nombreux secteurs de la société, ce qui justifie ce prix Nobel de chimie. Les batteries au lithium-ion ont “révolutionné nos vies et sont utilisées partout, des téléphones portables aux ordinateurs en passant par les voitures électriques”, ont affirmé les sages suédois. Un prix Nobel d’autant plus d’actualité qu’il a “posé les fondations vers une société sans fil et libéré des énergies fossiles”.

Un Nobel en trois étapes

Cette révolution s’est faite en 3 étapes, chacun des lauréats du prix Nobel de chimie étant à l’origine d’une d’entre elle.Tout commence au début des années 70, quand Stanley Whittingham crée la première batterie au lithium... grâce au financement du géant pétrolier Exxon, qui cherchait des alternatives en plein choc pétrolier.

Whittingham travaille sur la propriété de certains matériaux solides, “l’intercalation”, sur lesquels des ions (des atomes chargés en électricité) peuvent venir se greffer. Lors de ses expériences, le chercheur se rend compte que les ions de potassium affectent énormément un métal, le sulfure de tantale. A tel point que charger ce métal avec ces fameux ions permet de créer de l’électricité. Et cela marche encore mieux avec du titane.

Le rapport avec le lithium? Dans une batterie, il y a deux électrodes: une positive (cathode) et une négative (anode). Quand la batterie se décharge, des électrons passent de l’anode à la cathode, créant du courant électrique. Et justement, le lithium (le métal le plus léger existant) est connu pour libérer ses électrons très facilement. 

Double amélioration

La batterie au lithium était née. Mais elle était loin d’être optimale. Sauf que la crise pétrolière s’arrêtant, Exxon arrête ses subventions. C’est là qu’arrive John Goodenough. A l’université d’Oxford, il trouve un moyen d’améliorer la batterie au lithium de Whitthingham, en changeant l’électrode positive. Plutôt qu’un sulfure de métal (du métal mélangé à du soufre), le chercheur imagine un oxyde (un métal mélangé à de l’oxygène). 

Ce sera donc de l’oxyde de cobalt qui composera l’électrode positive de sa batterie. Le résultat: un doublement du potentiel de la batterie au lithium, lui permettant d’être suffisamment efficace pour être utile en dehors des laboratoires.

La troisième étape arrivera un peu plus tard, en 1986, grâce à Akira Yoshino. Cette fois, le chercheur s’attaque à l’anode de lithium, l’électrode négative. Car le métal a beaucoup de problème: notamment son instabilité, qui rend la batterie très explosive, et son poids.

Son idée? Utiliser du “coke de pétrole”, un dérivé des produits pétroliers, composé majoritairement de carbone. Adieu le lithium pur,les ions de lithium s’agglutinent au coke de pétrole. L’intérêt: une batterie plus sûre, plus légère, et qui se détériore moins vite, permettant de la recharger des centaines de fois. La batterie lithium-ion est née et va révolutionner le monde. "

Et ensuite ? Le story teller Johnathon E.BRIGGS  nous propose une série de "Questions-réponses" avec les directeurs du centre national de batteries du Laboratoire National d'ARGONE (USA) . Quelle est la prochaine étape pour les batteries? 

Les directeurs du Centre commun de recherche sur le stockage de l'énergie partagent leurs perspectives sur l'avenir du stockage de l'énergie.L'annonce en octobre par la Royal Swedish Academy of Sciences que le prix Nobel de chimie 2019 a été décerné à trois scientifiques qui ont développé des batteries lithium-ion - John Goodenough, Stanley Whittingham et Akira Yoshino - a fait la une des journaux internationaux et a déclenché une brève augmentation de l'utilisation de le hashtag #battchat sur Twitter, alors que les scientifiques de la batterie tweetaient leurs félicitations aux lauréats du prix Nobel. « Félicitations - nous sommes tous ravis d'apprendre que le domaine de la batterie reçoit la reconnaissance #NobelPrize! #battchat », a lu un tweet du Département de chimie de l'Université de Cambridge.

Nous avons poursuivi cette conversation hors ligne avec George Crabtree, directeur du Joint Center for Energy Storage Research ( JCESR ), un pôle d' innovation énergétique financé par le ministère de l'Énergie, et le directeur adjoint du JCESR , Venkat Srinivasan, qui est également directeur du Argonne Collaborative Center. pour la science du stockage de l'énergie  ACCESS ). « L'importance d'une énergie vraiment portable dans le temps et dans l'espace commence à peine à atteindre son plein potentiel. Le prix Nobel saisit la valeur d'une pensée novatrice et prête à l'emploi pour tracer l'avenir de la société. »- George Crabtree, directeur du JCESR Basée au laboratoire national Argonne du département américain de l'énergie ( DOE ) et fondée en 2012 , JCESR est un partenariat unique composé de laboratoires nationaux, d'universités et d'entreprises industrielles. Sa mission fondatrice était de créer des technologies de stockage d'énergie de nouvelle génération révolutionnaires qui surpassent considérablement les performances des batteries lithium-ion d'aujourd'hui. Le lauréat du prix Nobel, John Goodenough, est membre du comité consultatif sur le stockage de l'énergie du JCESR .

Sur cette photo de 2016, George Crabtree (à gauche) et Venkat Srinivasan (au centre) du Centre commun de recherche
 sur le stockage de l'énergie (JCESR) discutent avec le lauréat du prix Nobel 2019 John Goodenough (à droite) lors 
d'une réunion du comité consultatif du stockage de l'énergie du JCESR tenue à Argonne. Goodenough est membre 
du comité. (Image par Argonne National Laboratory.)

Q: C'est un honneur incroyable de voir ses réalisations récompensées par un prix Nobel, mais sur la base de la réaction exubérante des chercheurs en stockage d'énergie du monde entier, il semble que le prix décerné à Goodenough, Whittingham et Yoshino était également une victoire pour l'ensemble de la communauté des sciences de la batterie. Comment qualifieriez-vous la signification de ce moment du prix Nobel pour ceux du monde de la batterie? 

Crabtree: le prix Nobel de chimie de cette année est une reconnaissance spectaculaire de l'importance omniprésente de la technologie des batteries pour la société,« Bases d'une société sans fil, sans combustibles fossiles » (selon les termes du comité Nobel). L'impact de la technologie lithium-ion sur les smartphones, ordinateurs portables, tablettes et autres appareils électroniques personnels a changé la donne; un changement transformateur similaire est en train d'émerger dans le réseau électrique et le transport électrifié. L'importance d'une énergie véritablement portable dans le temps et dans l'espace commence à peine à atteindre son plein potentiel. Le prix Nobel capture la valeur d'une pensée innovante et prête à l'emploi pour tracer l'avenir de la société. C'est une inspiration pour la prochaine génération d'innovateurs de porter le stockage d'énergie et ses applications à de nouveaux niveaux d'impact.

Srinivasan: Les batteries au lithium-ion ont été au cœur de deux transitions spectaculaires sur le marché, l'une dans l'électronique grand public avec des ordinateurs plus petits que nous portons dans nos poches et portons à nos poignets, et l'autre dans le transport, avec des voitures électriques abordables à longue portée. . Sans les batteries lithium-ion, ces changements n'auraient pas eu lieu. Et nous commençons à voir la batterie lithium-ion perturber le réseau électrique, le rendant plus résistant et permettant différentes sources de génération. Sans les efforts des lauréats du prix Nobel, cela ne serait tout simplement pas possible.

Q: John Goodenough en particulier a été conseiller auprès du JCESR , un fait qui pourrait ne pas être largement connu. Comment le travail du JCESR a- t-il bénéficié de son implication? Le JCESR a- t- il des liens avec les deux autres lauréats du prix Nobel?

Crabtree: John a été une inspiration et un phare pour tout le monde dans le stockage d'énergie pour ses nombreuses réalisations remarquables dans la technologie des cathodes et la science fondamentale des batteries. Il siège JCESR Comité consultatif sur l' énergie de stockage ( ESAC ) et nous a aidés énormément à définir et à affiner la structure de JCESR . Lors d'une de nos premières réunions de l' ESAC , John s'est assis au coin de la table du soir et a diverti une douzaine d'autres membres du comité et chercheurs du JCESR avec des histoires de son expérience et de ses idées. Il a fourni non seulement la réflexion technique mais aussi l'esprit du JCESR, en reconnaissant les opportunités et en répondant aux besoins de la communauté du stockage et de la société.

JCESR connaît également très bien Stan Whittingham, un incontournable du paysage du stockage d'énergie et un pionnier du développement pratique des batteries lithium-ion. Lui et son équipe étaient responsables d'exemples fondateurs de la technologie de stockage au lithium-ion, précurseurs fondamentaux des normes actuelles de l'industrie. En tant que directeur de l'un des principaux centres de recherche Energy Frontier (EFRC) sur le stockage de l'énergie, Stan a toujours été un collègue du JCESR pour ses idées stratégiques et innovantes.

Srinivasan: La communauté des batteries est une petite communauté et John et Stan sont bien connus de nous et sont très conscients du travail en cours au JCESR . Je me souviens des commentaires de John lors d'une réunion consultative scientifique du JCESR où ses questions approfondies liées à notre travail sur les systèmes de batteries multivalentes ont servi à façonner la R & D.

Q: Le développement (et la commercialisation ultérieure) de la batterie lithium-ion, selon les termes du comité Nobel,« Jeté les bases d'une société sans fil, sans combustibles fossiles. » Quels sont les problèmes difficiles à résoudre que nous devons encore résoudre dans le stockage d'énergie, et dans quelle mesure sont loin nous des solutions?

Crabtree:Il reste de nombreux défis en matière de stockage d'énergie, notamment une recharge plus rapide des véhicules électriques, une densité énergétique plus élevée pour les camions de fret long-courrier et les vols électriques, un stockage à grande échelle de longue durée pour le réseau électrique, le recyclage et la réutilisation des batteries pour conserver les matières premières et une plus grande sécurité tout autour, notamment pour le transport électrique et le réseau électrique. Certains de ces défis peuvent être relevés par des variations sur la plate-forme de base des batteries lithium-ion, d'autres nécessitent des batteries entièrement nouvelles telles que des batteries à flux organique pour le réseau et des batteries lithium-air à haute densité énergétique peu coûteuses pour le camionnage longue distance, le vol et le réseau. . La caractéristique remarquable des batteries est leur horizon sans fin de nouvelles technologies et de nouvelles applications. Alors que des applications plus exigeantes émergent, les batteries avancent pour relever les défis de performance.

Srinivasan: Alors que les lauréats du prix Nobel nous ont permis de créer l'électronique grand public que nous tenons pour acquise, résoudre le défi énergétique nous oblige à aller au-delà des batteries d'aujourd'hui. Nous devons encore réduire le coût des batteries et leur permettre de se charger plus rapidement afin que les voitures électriques deviennent d'un usage plus courant. Et nous avons besoin qu'ils aient une durée de vie considérablement plus longue et des coûts considérablement inférieurs pour garantir la création du réseau du futur. Et nous devons nous soucier de la durabilité des matériaux qui entrent dans les batteries et de la manière dont nous traiterons les batteries en fin de vie. Au-delà de ces applications, nous commençons à voir un intérêt croissant pour l'électrification des vols afin de profiter des économies de carburant, et les batteries de prochaine génération vont jouer un rôle clé sur ce marché.

Le Laboratoire national d'Argonne cherche des solutions aux problèmes nationaux urgents en science et technologie. Premier laboratoire national du pays, Argonne mène des recherches scientifiques fondamentales et appliquées de pointe dans pratiquement toutes les disciplines scientifiques. Les chercheurs d'Argonne travaillent en étroite collaboration avec des chercheurs de centaines d'entreprises, d'universités et d'agences fédérales, étatiques et municipales pour les aider à résoudre leurs problèmes spécifiques, faire progresser le leadership scientifique américain et préparer la nation à un avenir meilleur. Avec des employés de plus de 60 pays, Argonne est géré par UChicago Argonne, LLC pour le bureau des sciences du département américain de l'Énergie .

Une nouvelle piste de recherche avec la batterie au dioxyde de carbone ? 

Les batteries au lithium-dioxyde de carbone sont des systèmes de stockage d'énergie attrayants car elles ont une densité d'énergie spécifique qui est plus de sept fois supérieure aux batteries lithium-ion couramment utilisées. Cependant, jusqu'à présent, les scientifiques n'ont pas été en mesure de développer un prototype entièrement rechargeable, malgré leur potentiel à stocker plus d'énergie.

Les chercheurs de l'Université de l'Illinois à Chicago sont les premiers à montrer que les batteries au lithium-dioxyde de carbone peuvent être conçues pour fonctionner de manière entièrement rechargeable, et ils ont testé avec succès un prototype de batterie au lithium-dioxyde de carbone fonctionnant jusqu'à 500 cycles de charge consécutifs / processus de recharge.

Leurs résultats sont publiés dans la revue Advanced Materials.

"Les batteries au lithium-dioxyde de carbone sont attrayantes depuis longtemps, mais dans la pratique, nous n'avons pas pu en obtenir une qui soit vraiment efficace jusqu'à présent", a déclaré Amin Salehi-Khojin, professeur agrégé de génie mécanique et industriel au Collège de l'UIC. Ingénierie. (Photo ci-contre)

Traditionnellement, lorsqu'une batterie au lithium-dioxyde de carbone se décharge, elle produit du carbonate de lithium et du carbone. Le carbonate de lithium se recycle pendant la phase de charge, mais le carbone s'accumule simplement sur le catalyseur, conduisant finalement à labatterie échec.

"L'accumulation de carbone non seulement bloque les sites actifs du catalyseur et empêche la diffusion du dioxyde de carbone, mais déclenche également la décomposition de l'électrolyte à l'état chargé", a déclaré Alireza Ahmadiparidari, premier auteur du document et étudiant diplômé de l'UIC College of Engineering.

Salehi-Khojin et ses collègues ont utilisé de nouveaux matériaux dans leur batterie expérimentale de dioxyde de carbone pour encourager le recyclage complet du carbonate de lithium et du carbone. Ils ont utilisé le disulfure de molybdène comme catalyseur de cathode combiné à un électrolyte hybride pour aider à incorporer le carbone dans le processus de cyclage.

Plus précisément, leur combinaison de matériaux produit un seul composite à plusieurs composants plutôt que des produits séparés, ce qui rend le recyclage plus efficace.

"Notre combinaison unique de matériaux contribue à rendre la première batterie au dioxyde de carbone au lithium neutre en carbone avec beaucoup plus d'efficacité et une durée de vie prolongée, ce qui lui permettra d'être utilisée dans des systèmes de stockage d'énergie avancés", a déclaré Salehi-Khojin.

Les calculs théoriques effectués par le groupe du Dr Larry Curtiss au Argonne National Lab ont été utilisés pour déduire un mécanisme pour le fonctionnement réversible de la batterie.

Leily Majidi, Mohammad Asadi, Amir Chamaani, Jacob Jokisaari, Sina Rastegar, Sahra Hemmat, Baharak Sayahpour, Pedram Abbasi et Robert Klie de l'UIC; Robert Warburton et Jeffrey Greeley de l'Université Purdue; et Rajeev Assary, Badri Narayanan, Paul Redfern, Anh Ngo, Marton Voros et Larry Curtis du Laboratoire national d'Argonne sont co-auteurs du document.

Cette recherche a été financée en partie par le département américain de l'Énergie, l'Office de l'efficacité énergétique et des énergies renouvelables et la National Science Foundation.