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Du Walkman à la voiture électrique
Cette année, le prix Nobel de chimie récompense trois chercheurs pour leur contribution respective à la recherche qui a permis l’avènement des batteries lithium-ion rechargeables d’aujourd’hui. Leurs travaux ont rendu possibles les smartphones et les voitures électriques actuels. Petr Novák est chercheur à l'Institut Paul Scherrer PSI dans le domaine des batteries lithium-ion et connaît personnellement les trois lauréats depuis plusieurs décennies. Dans l’interview qui suit, il évoque le moment décisif de l’annonce, alors qu’il était assis en face de l’un d’entre eux.
Petr Novák, ces derniers jours, vous étiez à Ulm, en Allemagne, où se tenait une conférence sur la recherche dans le domaine des accumulateurs, précisément au moment où ont été décernés les prix Nobel en sciences exactes. Cette conférence était-elle un hasard?
Oui, absolument. Et c’était aussi un hasard qu’on puisse y croiser le futur prix Nobel Stanley Whittingham. Le mercredi, c’est-à-dire le jour du prix Nobel de chimie, il avait présenté son exposé à 8h 30 lors de la session de la matinée. Autrement dit peu avant l’annonce du prix Nobel à 11h 50.
Stanley Whittingham a lui-même appris la nouvelle juste avant; c’est la procédure habituelle du comité Nobel. J’ai seulement remarqué qu’il avait quitté la salle à deux reprises pour téléphoner. Il lui a fallu ensuite garder la nouvelle pour lui pendant une demi-heure.
Et après?
A 11h 50, j’étais sur la scène où je présidais la session matinale suivante. J’ai jeté un coup d’œil à mon téléphone portable pour voir qui avait reçu le prix Nobel de chimie. Dans un premier temps, j’ai eu du mal à croire la nouvelle. Même si je considérais que le sujet des batteries lithium-ion était l’un des favoris pour le prix et qu’il était évident qu’il irait alors à Stanley Whittingham, apprendre que le lauréat du prix Nobel était assis en face de moi, dans le public, avait quelque chose de surréaliste.
J’ai alors interrompu la série de présentations qui se déroulait sur la scène pour annoncer le lauréat du prix Nobel. Et ce avec une grande joie.
Pour vous, le choses étaient donc claires: si les batteries lithium-ion sont le sujet du prix Nobel, alors Stanley Whittingham est l’un des lauréats. Etait-ce aussi le cas pour les deux autres, John Goodenough et Akira Yoshino?
Oui. Même si au fil des décennies, de très nombreuses personnes ont produit beaucoup de recherche, ces trois chercheurs représentent un très bon choix parmi ceux qui ont été impliqués dans le développement.
Quel souvenir gardez-vous de ces décennies de recherche dans le domaine des accumulateurs?
Ce qui vient d’être distingué, c’est un développement qui a démarré en 1976, lorsque Stanley Whittingham a construit une batterie lithium-ion rechargeable; théoriquement, on savait déjà que cet accumulateur présentait certaines propriétés adéquates. Pour l’essentiel, une batterie est composée de deux électrodes – la cathode et l’anode – et de l’électrolyte, liquide le plus souvent. Ce dernier permet aux ions-lithium de circuler entre la cathode et l’anode. De la cathode à l’anode lors de la charge et dans l’autre sens lors de la décharge. Stanley Whittingham a été le premier à mettre la main sur un matériau permettant de réaliser une cathode qui fonctionne bien: le disulfure de titane.
Stanley Whittingham a donc construit la première batterie lithium-ion?
On peut certainement le dire. Mais les batteries lithium-ion d’aujourd’hui sont composées d’autres matériaux. Car déjà trois ans plus tard, les choses avaient évolué: en 1979, John Goodenough montrait que le dioxyde de cobalt était un matériaux qui convenait encore mieux pour la cathode.
Un problème demeurait toutefois du côté de l’anode. A l’époque, on la fabriquait en lithium pur ou dans un alliage de lithium et d’aluminium. Cela pouvait sembler aller de soi, mais ce n’était pas idéal. Akira Yoshino a donc passé en revue différents matériaux susceptibles de servir de support pour des ions-lithium. Il a identifié le coke de pétrole, un sous-produit très bon marché de l’industrie pétrolière qui, après un traitement spécial, convenait pour l’anode. La première batterie lithium-ion construite suivant ce concept a été commercialisée en 1991.
Pourquoi, après Stanley Whittingham et John Goodenough, a-t-il fallu attendre jusqu’en 1991?
La recherche et le développement ont été lancés à la fin des années 1980 et au début des années 1990 avec la miniaturisation des appareils électroniques. Je me souviens que Sony avait besoin d’une batterie petite et puissante pour continuer à développer la vague d’appareils portables de l’époque comme le Walkman, le Discman, les caméras vidéo. De mon point de vue, c’est notamment au Discman que nous devons les batteries lithium-ion!
Et comment la recherche et développement des batteries lithium-ion a-t-elle évolué après 1991?
Depuis 1991, il n’y a plus eu de changements révolutionnaires, mais des améliorations continues. La recherche sur la composition précise des matériaux destinés à la cathode et à l’anode s’est poursuivie. Pour des raisons de coûts et d’éthique, on s’efforce de ne garder qu’une part de cobalt aussi infime que possible dans la cathode. Le choix porte sur d’autres compositions qui présentent une densité énergétique un peu plus élevée. Et habituellement, aujourd’hui, les anodes ne sont plus à base de coke, mais en graphite. Il arrive aussi que certaines soient fabriquées à partir d’un mélange de graphite et de silicium.
Au PSI également, dans le domaine des accumulateurs, 90% de la recherche, voire plus, porte sur les batteries lithium-ion. Depuis 20 ans, nous collaborons avec succès, entre autres, avec l’entreprise Imerys Graphite & Carbon au Tessin, qui détient une part essentielle du marché du graphite. Nous menons ensemble de la recherche sur des électrodes en graphite pour des batteries lithium-ion.
Un smartphone d’aujourd’hui abrite-t-il la même batterie qu’une voiture électrique?
Justement, pas tout à fait. Aujourd’hui, il existe différents types de batteries lithium-ion qui sont optimisées en fonction de l’application: dans le cas des accumulateurs pour les téléphones portables, la priorité va à la densité énergétique et l’on accepte en contrepartie que la durée de vie soit seulement d’environ deux ans. Inversement, pour l’électromobilité, on développe des batteries avec un haut niveau de fiabilité et une longue durée de vie. Dans d’autres domaines encore, c’est le haut niveau de puissance qui a la priorité. Tous ces différents objectifs peuvent être atteints moyennant quelques petits ajustements au niveau du design et du choix des matériaux: cela peut porter par exemple sur l’épaisseur de l’électrode ou encore la porosité des matériaux; il est possible aussi d’améliorer une propriété particulière en jouant sur de légères différences au niveau de la composition de l’électrolyte et des matériaux des électrodes.
Votre objectif, est-ce de suivre les traces de John Goodenough: atteindre l’âge de 97 ans et décrocher le prix Nobel?
Ah, ce que je veux, c’est rester dans le coup. Et continuer à faire de la science.
Propos recueillis par: Institut Paul Scherrer/Laura Hennemann
À propos du PSI
L'Institut Paul Scherrer PSI développe, construit et exploite des grandes installations de recherche complexes et les met à la disposition de la communauté scientifique nationale et internationale. Les domaines de recherche de l'institut sont centrés sur la matière et les matériaux, l'énergie et l'environnement ainsi que la santé humaine. La formation des générations futures est un souci central du PSI. Pour cette raison, environ un quart de nos collaborateurs sont des postdocs, des doctorants ou des apprentis. Au total, le PSI emploie 2100 personnes, étant ainsi le plus grand institut de recherche de Suisse. Le budget annuel est d'environ CHF 407 millions. Le PSI fait partie du domaine des EPF, les autres membres étant l'ETH Zurich, l'EPF Lausanne, l'Eawag (Institut de Recherche de l'Eau), l'Empa (Laboratoire fédéral d'essai des matériaux et de recherche) et le WSL (Institut fédéral de recherches sur la forêt, la neige et le paysage). (Mise à jour: mai 2019)