Nobel de chimie 2019 : pourquoi les batteries au lithium ont encore de beaux jours devant elles

Sciences

DÉCRYPTAGE - Le Nobel de chimie a distingué ce mercredi trois chercheurs pour leurs travaux qui ont permis l’invention de la batterie au lithium, utilisée au quotidien dans les véhicules électriques, les téléphones ou encore les ordinateurs portables. Pour en savoir plus, LCI a contacté Marie-Liesse Doublet, directrice de recherche CNRS à l'Institut de chimie moléculaire et des matériaux.

Voilà enfin une invention qui nous parle à tous ! Le prix Nobel de chimie a été attribué cette année à un trio de chercheurs pour leurs travaux successifs ayant permis l'invention des batteries au lithium. "Ce type de batterie légère, rechargeable et puissante est maintenant utilisée partout, dans les téléphones et les ordinateurs portables, et les véhicules électriques (…) Elle peut également stocker des quantités significatives d'énergie solaire et éolienne, ouvrant la voie à une société libérée des énergies fossiles", souligne l'Académie royale des sciences de Suède.

Dans le contexte des crises pétrolières des années 1970, Stanley Whittingham (Université d'État de New York) s'est mis en quête de sources d'énergie non-fossiles. C'est ainsi qu'il crée une cathode innovante dans une batterie au lithium à partir du disulfure de titane (TiS2). John Goodenough (Université du Texas) a ensuite prédit que les propriétés de cette cathode pouvaient être augmentées si elle était produite à partir d'oxyde métallique au lieu de disulfure. Akira Yoshino (Université d'Osaka), quant à lui, a conçu la toute première batterie commerciale, en 1985.

Pour en savoir plus sur le fonctionnement de cette technologie qui a révolutionné notre quotidien, LCI a contacté Marie-Liesse Doublet, directrice de recherche CNRS à l'Institut de chimie moléculaire et des matériaux de Montpellier.

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LCI : Pouvez-vous nous expliquer comment fonctionne une batterie au lithium ?

Marie-Liesse Doublet : Une batterie sert à une chose essentielle : stocker de l’électricité. De nombreuses technologies du quotidien dépendent aujourd’hui de cette invention, que ce soit nos téléphones portables, nos ordinateurs, ou encore  les voitures électriques. Pour stocker l'énergie, nous utilisons des réactions électrochimiques. Elles ont été élaborées grâce aux travaux du physicien John Goodenough et du chimiste Stanley Whittingham.

Pour schématiser grossièrement, une batterie est composée d’un ou plusieurs accumulateurs, appelés cellules. Ces accumulateurs sont chacun dotés de deux électrodes, appelées anode (-) et cathode (+). Une substance liquide -l'électrolyte- permet d'échanger des ions entre les deux électrodes. Premier métal du Tableau périodique des éléments de Mendeleïev,  le lithium possède la caractéristique de céder facilement un électron. Celui-ci devient alors un ion Li+, d’où le terme de batterie-ion. Plus généralement, ce métal présente surtout l’avantage de permettre de stocker une importante quantité d’énergie dans un espace très compact.

LCI : Depuis la première batterie commerciale développée en 1985 par le Japonais Akira Yoshino, la capacité de stockage a-t-elle augmenté ?

Marie-Liesse Doublet : Depuis cette époque, un certain nombre de matériaux ont été développés afin d’augmenter la densité d'énergie de ces batteries. Je dirais qu'elle a augmenté d'environ 20%, grâce notamment aux travaux de Goodenough.

De nombreuses équipes de recherche planchent pour améliorer la capacité de stockage et l’autonomie des batteries- Marie-Liesse Doublet.

LCI : Le développement des énergies renouvelables requiert d'augmenter encore ces capacités de stockage.

Marie-Liesse Doublet :  Rappelons que le Soleil et le vent sont des sources d’énergie intermittentes. Ces dernières ne sont pas produites de façon continue, d'où la nécessité de pouvoir la stocker. Or, à l'heure actuelle, il est impossible d'emmagasiner l'intégralité de l'énergie que pourraient produire les panneaux photovoltaïques ou les éoliennes. Pour avoir un ordre d'idée, ces ressources sont en effet 100 fois plus importantes à ce que nous sommes en mesure de stocker avec les batteries au lithium. 

Or nous savons pourtant que notre demande en énergie va doubler au cours des trois prochaines décennies. Nous estimons à quinze térawatts la quantité d'énergie qui sera ainsi nécessaire d’ici à 30 ans. Pour le moment, nous sommes incapables d’en stocker plus de quelques pourcents.

LCI : A vous entendre, la batterie du futur, pour remplacer celle au lithium, ne verra donc pas le jour de sitôt.

Marie-Liesse Doublet : De nombreuses équipes de recherche planchent pour améliorer la capacité de stockage et l’autonomie des batteries. Mais beaucoup patinent. Certaines tentent d’utiliser du sodium à la place du lithium, car il a l’avantage d’être disponible en abondance et plus facilement exploitable. Malheureusement, en terme de performance, il est très largement inférieur au lithium. Des recherches sont également menées pour utiliser du magnésium. Mais nous n’avons pas encore trouvé un électrolyte compatible. Les batteries tout solide sont également à la mode mais posent d'autres problèmes mécaniques.  Pour être honnête, nous n’en sommes même pas au début du commencement. Bref, les batteries au lithium ont encore de beaux jours devant elles. 

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