Le perfectionnement des batteries au lithium-ion a pris des décennies, et ce n’est qu’après ce long laps temps que nous reconnaissons tout leur potentiel. Aujourd’hui, les batteries lithium-ion alimentent les téléphones mobiles, les ordinateurs portables, les dispositifs médicaux et les véhicules électriques dans le monde entier. Les batteries Li-ion favorisent également les énergies renouvelables, puisqu’elles peuvent stocker l’énergie de sources intermittentes telles que les dispositifs éoliens et solaires. Tout au long de leur développement, les batteries Li-ion ont mis les scientifiques au défi d’optimiser leurs performances tout en réduisant les risques d’effets indésirables. Aujourd’hui, les scientifiques spécialisés dans les batteries doivent s’appuyer sur les découvertes précédentes tout en se concentrant sur les caractéristiques des batteries qui permettront de progresser dans les principaux domaines d’application.

En raison de l’importance de la technologie des batteries au lithium-ion, le Prix Nobel 2019 de chimie a été décerné aux scientifiques John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham et Akira Yoshino pour son développement. Chacun de ces scientifiques a apporté sa contribution par des découvertes qui ont fait progresser les batteries lithium-ion jusqu’à ce qu’elles prennent la forme largement répandue que nous connaissons aujourd’hui. Ils ont commencé par l’élément lithium (dont le numéro atomique est 3), qui possède un électron non apparié qu’il a tendance à perdre, devenant ainsi un ion chargé positivement. Cette tendance à perdre un électron présente un grand potentiel pour les applications dans le domaine des batteries et permet au courant de circuler à travers une cellule de batterie de l’anode vers la cathode La haute densité énergétique des ions lithium est également idéale pour les petits appareils portables tels que les téléphones mobiles et les ordinateurs portables.  Enfin, les ions lithium reviennent facilement vers l’anode pendant la charge, rendant ainsi le rechargement aisé. Les lauréats ont réussi à exploiter les avantages des ions lithium et ont découvert des solutions pour tirer parti de leur puissance tout en contrôlant la volatilité du matériau. 

M. Wittingam a commencé par mettre au point un prototype de notre batterie lithium-ion moderne au milieu des années 70, en découvrant la possibilité d’utiliser le disulfure de titane comme cathode. La batterie de M. Wittingham présentait une tension impressionnante de 2 volts, mais était susceptible de s’enflammer spontanément. Au cours des années 80, M. Goodenough a remplacé le disulfure de titane par de l’oxyde de cobalt-lithium pour doubler la capacité de la batterie à 4 volts, mais les problèmes d’inflammabilité persistaient. Plus tard dans les années 80, M. Yoshino a remplacé l’anode lithium-métal par du coke de pétrole, qui maintenait une tension élevée tout en rendant la batterie beaucoup plus sure.  

La batterie lithium-ion résultant de leurs découvertes est légère, rechargeable et très puissante. Leur batterie a rendu possible notre monde fait d’électronique mobile ainsi que de voitures et de vélos électriques. Bien entendu, comme l’indiquent les membres du comité Nobel, les progrès scientifiques n’en sont jamais à leur terme. Les chercheurs continuent d’améliorer la technologie des batteries Li-ion et d’autres technologies pourraient bientôt les rejoindre dans notre évolution vers une énergie rechargeable et renouvelable.  

Les développeurs actuels de batteries ont toujours pour mission de trouver un équilibre entre sécurité et puissance, comme les trois inventeurs des batteries Li-ion mentionnés ci-dessus. Cependant, l’accent s’est déplacé vers d’autres facteurs en raison de la façon dont nous utilisons les batteries.  

Les fabricants de produits électroniques grand public sont surtout préoccupés par la densité énergétique des batteries lithium-ion, c’est-à-dire la quantité d’énergie qu’elles peuvent stocker tout en restant légères. Les fabricants de téléphones mobiles et d’ordinateurs portables sont constamment à la recherche d’améliorations des batteries afin qu’elles puissent mieux tenir la charge, tout en leur permettant de fabriquer des produits portables légers. Ils mettent également l’accent sur l’autonomie de la batterie, afin que les consommateurs puissent utiliser leurs appareils plus longtemps avec une seule charge. 

Les véhicules électriques privilégient avant tout l’autonomie : si une voiture électrique doit être rechargée plus souvent que son homologue à essence, elle ne constitue pas un investissement intéressant pour les consommateurs. De plus, les bus électriques, les camions de transport de marchandises et l’aviation exigent encore plus d’autonomie. Le transport électrique nécessite également une durée de vie élevée, de façon que les batteries lithium-ion puissent être rechargées des milliers de fois avant de se dégrader et de perdre leur capacité. 

Les batteries lithium-ion sont de plus en plus utilisées dans le stockage de l’énergie verte. Dans ce contexte, les batteries Li-ion doivent avoir une durée de vie élevée afin d’avoir un impact maximal. Ces batteries n’ont pas besoin d’être portables, puisqu’elles resteront en place à proximité du générateur d’énergie et n’ont pas besoin d’une grande autonomie puisqu’elles seront fréquemment rechargées par l’énergie éolienne et solaire. 

Dans tous les domaines d’application, les batteries lithium-ion doivent être sures. Qu’elles se trouvent dans un entrepôt pour stocker l’énergie provenant d’éoliennes ou qu’elles alimentent votre véhicule électrique, elles ne peuvent pas mettre en danger, du fait d’une inflammabilité élevée, notre environnement ni les utilisateurs. 

Les scientifiques spécialisés dans les batteries lithium-ion doivent répondre à un nombre croissant d’exigences, et se contenter de répéter les succès passés ne suffira pas. Les nouvelles batteries doivent dépasser les capacités antérieures tout en améliorant les performances et la sécurité.  

La plus grande menace pour la sécurité des batteries lithium-ion est la chaleur. La surchauffe des composants de la batterie, qu’elle soit due à une température ambiante élevée ou à des réactions électrochimiques internes, peut entraîner des réactions d’emballement thermique et provoquer une défaillance ou une combustion catastrophique. C’est pourquoi les chercheurs spécialistes des batteries se tournent vers l’analyse thermique pour mesurer les performances des batteries dans une large gamme de températures. Les données issues de l’analyse thermique permettent de sélectionner les matériaux, de déterminer la conception ou de modifier les additifs de manière informée pour obtenir la configuration la plus sûre.  

Les rhéomètres et les microcalorimètres sont également des instruments d’analyse des matériaux répandus dans le domaine des batteries lithium-ion. La rhéologie est l’étude de l’écoulement et de la déformation des matériaux. Les rhéomètres aident les scientifiques à créer des suspensions et des revêtements d’électrodes offrant une viscosité idéale pour un stockage, un mélange, un recouvrement et un séchage optimal. La microcalorimétrie mesure les niveaux infimes de chaleur générée pendant un processus électrochimique ou physicochimique. Les microcalorimètres aident les développeurs de batteries à optimiser la gestion de la chaleur, les évolutions structurelles et l’isolation de la chaleur due aux réactions parasites.  

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