Cinquante ans plus tard : l'improbable naissance du lithium

Charles Murray | 04 novembre 2022

Il n'a fallu que trois mois à l'automne 1972 à Stanley Whittingham pour évoquer le concept de la batterie qui a changé le monde. Whittingham, un chimiste de 31 ans formé à Oxford, pensait voir une révolution technique se profiler à l'horizon.

Cinquante ans plus tard, l'histoire de la naissance de sa batterie semble improbable. Whittingham était jeune, fraîchement sorti d'un programme postdoctoral à l'Université de Stanford et travaillait pour Exxon Corp. dans le New Jersey. Ironiquement, son concept de batterie ne profiterait pas à Exxon. Ses premières applications incluaient des caméscopes, des ordinateurs portables et des téléphones portables, dont aucun n'avait de liaison à distance avec Exxon. Plus tard, son concept finira par propulser des voitures électriques dans le monde entier, servant de concurrent direct au pétrole d'Exxon. Rétrospectivement, il semble impossible qu'Exxon ait pu soutenir de telles recherches. Mais il l'a fait.

Le travail de Whittingham chez Exxon a évolué rapidement. Il a rejoint l'entreprise en septembre 1972 et, en quelques semaines, a commencé à travailler sur un concept qu'il avait étudié à Stanford. Le concept consistait à insérer des ions dans le réseau atomique de certains métaux, puis à extraire ces ions. Cela s'appelait intercalation (prononcé "in-TURK-a-lay-shun"). "J'ai dit:" Hé, nous pouvons stocker de l'énergie ici ", se souvient-il dans le livre Long Hard Road: The Lithium-Ion Battery and the Electric Car. "Et c'est à ce moment-là que nous nous sommes lancés dans les études électrochimiques, puis dans les batteries."

Il a décidé de construire une batterie en utilisant des matériaux d'intercalation aux deux électrodes. Tout d'abord, il a envisagé une variété de composés en couches et a choisi le titane pour la cathode de la batterie. Puis est venue la décision qui a changé l'histoire de la science. Pour une anode, il a d'abord examiné le potassium, mais a décidé que c'était trop dangereux. Il a rapidement opté pour un métal doux, argenté et léger… le lithium. A terme, il utiliserait le lithium dans l'anode de la batterie, puis dans son électrolyte. Les résultats ont été étonnants. Alors que les meilleures batteries de l'époque fonctionnaient à 1,3 volts, cette nouvelle batterie offrait 2,4 volts. Et, grâce à la science de l'intercalation, il était rechargeable. Les versions de travail de la batterie au disulfure de titane au lithium de Whittingham ont été achevées en décembre 1972.

Un mois plus tard, Whittingham a été convoqué par les dirigeants d'entreprise d'Exxon dans leurs bureaux de New York. "On m'a demandé de parler à un sous-comité du conseil d'administration d'Exxon et d'expliquer ce que je faisais", se souvient Whittingham. "Quelqu'un dans la recherche leur avait dit ce qui se passait", a-t-il déclaré dans Long Hard Road. "Alors je suis allé là-bas et je l'ai expliqué - cinq minutes, dix au maximum. Et en une semaine, ils ont décidé, oui, ils voulaient investir là-dedans."

Qu'Exxon ait investi dans une technologie qui concurrencerait le pétrole semble désormais incroyable. Mais le monde était différent en 1972. Le consensus scientifique de l'époque était que la Terre serait à court de pétrole dans 50 ans. D'ici 2000, selon les scientifiques, la disponibilité du pétrole serait sur une grave baisse. De plus, la culture de la recherche d'entreprise était différente en 1972. Les grandes entreprises, Exxon en étant un exemple, croyaient profondément au concept de recherche fondamentale – la science pour la science. Les articles scientifiques et les brevets étaient l'objectif. Si une percée devait être faite, on supposait que l'entreprise trouverait comment en tirer profit.

Ce fut le cas pour Whittingham. Il a été encouragé à aller de l'avant. Il l'a fait et Exxon a déposé une demande de brevet en Belgique en 1973. Lorsqu'une crise pétrolière a frappé les États-Unis en 1973, le sentiment d'urgence d'Exxon s'est accru. En 1975, ses avocats déposaient une vague de brevets américains sur la batterie de Whittingham.

Certes, la batterie de Whittingham ne s'appelait pas lithium-ion et n'utilisait pas non plus la même chimie que les produits d'aujourd'hui. Mais il fonctionnait selon le même mécanisme fondamental : des ions lithium insérés dans une électrode hôte. Une petite version à pile bouton de la pile a été fabriquée et utilisée dans une "montre-bracelet solaire perpétuelle" vendue par une société suisse, Ebauches SA. Là, ça a parfaitement servi. De plus, il était presque impossible de regarder cette nouvelle batterie et de ne pas penser à un avenir potentiel dans une voiture électrique.

Pourtant, Exxon a lentement perdu tout intérêt pour la batterie au lithium et au disulfure de titane. La crise pétrolière s'est estompée, l'application montre-bracelet a été jugée insignifiante et les priorités des entreprises ont changé. Finalement, les dirigeants de l'entreprise ont décidé de vendre la technologie. La batterie a été concédée sous licence à trois sociétés, une en Asie, une en Europe et une aux États-Unis. "Il n'y a pas eu beaucoup de discussions", a déclaré Whittingham des années plus tard. "Un jour, ils ont juste dit : 'On va arrêter de faire ça.'"

Mais la batterie au lithium rechargeable n'était pas morte. En 1980, John Goodenough, un Américain de 58 ans travaillant à l'Université d'Oxford en Angleterre, améliore la batterie de Whittingham avec une nouvelle cathode. La cathode de Goodenough s'appelait oxyde de lithium-cobalt et offrait une puissance incroyable de quatre volts. Maintenant, la batterie était encore meilleure - plus énergique et pourtant toujours rechargeable. Il n'y avait rien de tel sur le marché commercial.

John Goodenough a été co-lauréat du prix Nobel de chimie en 2019 pour son développement de la batterie au lithium-oxyde de cobalt. À 97 ans, Goodenough était le plus ancien lauréat du prix Nobel de tous les temps. Il travaille actuellement comme professeur de mécanique, de science des matériaux et de génie électrique à l'Université du Texas.

Mais lorsque Goodenough a contacté des fabricants de batteries au Royaume-Uni, aux États-Unis et en Europe continentale, il n'a trouvé aucune partie intéressée. Le monde, semblait-il, ne voulait pas de la batterie au lithium rechargeable. Même son employeur, l'Université d'Oxford, a refusé de payer pour un brevet. Pour obtenir une protection par brevet, Goodenough a dû se rendre dans un laboratoire gouvernemental à Harwell, en Angleterre, et renoncer à ses droits sur l'invention. Le laboratoire Harwell a breveté la technologie. Puis le brevet est resté inactif.

Des années plus tard, cependant, le laboratoire Harwell a reçu un appel inattendu de Sony Corp. au Japon, souhaitant discuter d'un accord de licence sur un brevet qui avait pris la poussière pendant huit ans. L'appel a surpris tout le monde au laboratoire. Au début, les scientifiques du laboratoire ne pouvaient pas imaginer quel brevet avait suscité l'intérêt. Bientôt, ils ont réalisé que Sony citait un ancien brevet intitulé "Cellule électrochimique avec conducteurs ioniques rapides". C'était le brevet de John Goodenough.

Les ingénieurs de Sony voulaient le brevet parce qu'ils prévoyaient de construire des batteries pour leur nouveau caméscope, appelé Handycam. En utilisant la pile au lithium rechargeable, ont-ils estimé, le Handycam pourrait offrir un poids plus léger et une durée de fonctionnement plus longue. Leur plan était d'utiliser la cathode d'oxyde de cobalt de Goodenough et de la coupler avec une anode de coke de pétrole développée par Asahi Chemical au Japon.

Enfin, la batterie au lithium rechargeable était en route. Sony l'a surnommée la batterie lithium-ion, l'a présentée dans le Handycam et l'a proposée sur le marché à partir de 1991. Bientôt, la batterie a été utilisée dans les ordinateurs portables et les téléphones portables. En 1998, Nissan Motor Co. a mis du lithium-ion dans une voiture électrique en édition limitée appelée Altra et a commencé à élaborer de plus grands projets. D'autres constructeurs automobiles ont suivi et la batterie lithium-ion est devenue une activité en croissance de 30 milliards de dollars par an.

Ni Whittingham ni Goodenough ne gagnaient de l'argent avec leurs inventions. Goodenough a cédé les droits sur sa chimie de l'oxyde de lithium et de cobalt en 1980, ce qui l'a empêché d'en tirer personnellement profit. Le disulfure de lithium-titane de Whittingham n'a été utilisé que dans la montre-bracelet Ebauches, et jamais pour d'autres applications.

En 2019, les deux scientifiques ont été co-lauréats du prix Nobel de chimie, avec Akira Yoshino, qui a co-développé l'anode de coke de pétrole pour Asahi Chemical au Japon. À cette époque, 47 ans s'étaient écoulés depuis l'invention de Whittingham et 39 ans depuis le développement de Goodenough.

Akira Yoshino, qui a développé l'anode de coke de pétrole pour la batterie lithium-ion, a été co-lauréat du prix Nobel de chimie 2019.

Sur son bureau, Whittingham a une horloge solaire alimentée par une pile au disulfure de titane et de lithium. Il a construit l'horloge en 1977. Elle fonctionne toujours aujourd'hui. Son horloge est la seule application restante à utiliser cette chimie particulière.

Aujourd'hui, il dit qu'il comprend pourquoi sa chimie n'a pas fait grand bruit dans les années 1970. "Le marché (des batteries) n'allait tout simplement pas être assez grand", a-t-il déclaré dans Long Hard Road. "Notre invention était tout simplement trop tôt."

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