Trois chercheurs qui ont développé une technologie au cœur de l’ère des smartphones – et de la transformation sociétale qui en résulte – ont remporté le prix Nobel de chimie 2019. Les travaux de John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham et Akira Yoshino ont fait des progrès cruciaux dans les batteries lithium-ion, qui stockent de grandes quantités d’énergie dans de petites cellules de batterie et sont rapides et faciles à recharger.
Vendus pour la première fois dans le commerce en 1991 par Sony pour ses caméscopes, ces types de batteries sont bons pour beaucoup plus que l’électronique grand public portable. Ils sont au centre de deux autres révolutions technologiques ayant le pouvoir de transformer la société: la transition des moteurs à combustion interne aux véhicules électriques et le passage d’un réseau électrique alimenté par des combustibles fossiles à des générateurs d’énergie renouvelable qui stockent l’électricité excédentaire dans des batteries pour une utilisation future.
Alors, comment fonctionnent ces batteries? Les scientifiques et les ingénieurs ont passé des carrières entières à essayer de construire de meilleures batteries et il y a encore des mystères que nous ne comprenons pas complètement. L’amélioration des batteries nécessite que les chimistes et les physiciens examinent les changements au niveau atomique, ainsi que les ingénieurs en mécanique et en électricité qui peuvent concevoir et assembler les batteries qui alimentent les appareils. En tant que scientifique des matériaux à l’Université de Washington et au Pacific Northwest National Lab, mon travail a aidé à explorer de nouveaux matériaux pour les batteries lithium-air, les batteries au magnésium et bien sûr les batteries lithium-ion.
Considérons un jour dans la vie de deux électrons. Nous nommerons l’un d’eux Alex et il a un ami nommé George.
Anatomie de la batterie
Alex vit à l’intérieur d’une pile alcaline AA standard, comme dans votre lampe de poche ou votre télécommande. À l’intérieur d’une pile AA, il y a un compartiment rempli de zinc et un autre rempli d’oxyde de manganèse. À une extrémité, le zinc seulements’accroche faiblement aux électronscomme Alex. À l’autre extrémité, l’oxyde de manganèsetire puissammentélectrons vers lui-même. Entre les deux, empêchant les électrons d’aller directement d’un côté à l’autre, se trouve un morceau de papier imbibé d’une solution de potassium et d’eau, qui coexistent sous forme d’ions potassium positifs et d’ions hydroxyde négatifs.
Lorsque la batterie est placée dans un appareil et allumée, le circuit interne de l’appareil est terminé. Alex est extrait du zinc, à travers le circuit et dans l’oxyde de manganèse. En cours de route, son mouvement alimente l’appareil, ou l’ampoule ou tout ce qui est connecté à la batterie. Quand Alex s’en va, il ne peut pas revenir : le zinc qui a perdu une liaison électronique avec l’hydroxyde pour former de l’oxyde de zinc. Ce composé est extrêmement stable et ne peut pas être facilement reconverti en zinc.
De l’autre côté de la batterie, l’oxyde de manganèse gagne un atome d’oxygène de l’eau et laisse des ions hydroxyde derrière pour équilibrer l’hydroxyde consommé par le zinc. Une fois que tous les voisins d’Alex ont quitté le zinc et sont passés à l’oxyde de manganèse, lela batterie est épuiséeet doit être recyclé.
Avantages lithium-ion
Comparons cela à George, qui vit dans une batterie lithium-ion. Les batteries lithium-ion ont les mêmes blocs de construction de base que les piles alcalines AA, avec quelques différences qui confèrent des avantages majeurs.
George vit dans le graphite, qui est encore plus faible que le zinc pour retenir les électrons. Et l’autre partie de sa batterie est l’oxyde de lithium-cobalt, qui tire les électrons beaucoup plus puissamment que l’oxyde de manganèse – ce qui donne à sa batterie la capacité de stocker beaucoup plus d’énergie dans la même quantité d’espace qu’une pile alcaline. La solution séparant le graphite et l’oxyde de lithium-cobalt contient des ions lithium chargés positivement, qui forment et brisent facilement des liaisons chimiques lorsque la batterie est déchargée et rechargée.
