Prix Nobel de chimie: «ils ont créé un monde rechargeable»

L'Américain John Goodenough, le Britannique Stanley Whittingham et le Japonais Akira Yoshino se partagent la récompense.
Photo: Naina Helen Jama Agence TT News / Agence France-Presse L'Américain John Goodenough, le Britannique Stanley Whittingham et le Japonais Akira Yoshino se partagent la récompense.

Le prix Nobel de chimie 2019 récompense les pionniers de la batterie lithium-ion, cette éponge d’énergie légère et rechargeable qui insuffle la vie aux téléphones mobiles, aux voitures électriques et même aux perceuses sans fil.

L’Académie royale des sciences de Suède en a fait l’annonce mercredi matin. Trois chercheurs se partagent le prix à parts égales : l’Anglo-Américain Stanley Whittingham, de l’Université Binghampton dans l’État de New York ; l’Américain John Goodenough, de l’Université du Texas à Austin ; et le Japonais Akira Yoshino, de l’entreprise Asahi Kasei Corporation et de l’Université Meijo à Nagoya. « Ils ont créé un monde rechargeable », s’intitule le communiqué officiel déclarant leur victoire.

« Ces messieurs méritaient ce prix depuis très longtemps », selon Jeff Dahn (Université Dalhousie), l’une des plus grandes sommités du domaine ces dernières années. Même si d’autres savants ont contribué à l’invention, le comité n’a pas fait erreur en sélectionnant ces trois lauréats. « Si j’avais eu à choisir trois personnes, j’aurais choisi ces trois-là », dit-il.

Les prix Nobel peuvent être partagés par trois personnes au plus, et ne peuvent être attribués de manière posthume.

Avant le développement de la technologie lithium-ion, les batteries contenaient peu d’énergie et leurs composantes se dégradaient rapidement. En moins de trois décennies, les batteries lithium-ion se sont imposées comme la meilleure technologie — et ont envahi le fond de toutes les poches et sacs à main.

Ce prix Nobel est « amplement mérité » et « arrive même bien tard » pour ces trois pionniers, écrit au Devoir Linda Nazar, professeur de chimie à l’Université Waterloo et détentrice de la chaire de recherche du Canada sur les matériaux énergétiques à l’état solide.

Les batteries lithium-ion fonctionnent un peu comme des pendules. Des atomes de lithium porteurs d’une charge électrique positive — des ions — se déplacent d’une borne à l’autre de la batterie lors de sa charge, et dans l’autre sens lors de sa décharge.

Pendant cette dernière phase, le mouvement des ions s’accompagne de la propulsion des électrons, porteurs d’une charge négative, d’une borne à l’autre de la batterie. Toutefois, plutôt que de faire le voyage dans le liquide au coeur de la batterie, les électrons cheminent par le circuit externe, alimentant du même coup le téléphone, la voiture ou l’ordinateur.

Une invention par étapes

Le lithium est le métal le plus léger qu’on retrouve dans la nature. La petite taille de ses atomes permet qu’on les entasse en grande quantité dans un espace réduit. S’ils sont chargés électriquement, la densité d’énergie stockée est ainsi maximisée.

Toutefois, pour profiter de cette propriété avantageuse du troisième élément du tableau périodique, il fallait trouver la bonne recette.

Dans les années 1970, alors qu’il travaillait pour Exxon, Stanley Whittingham a été le premier à concevoir une batterie fonctionnant grâce à des ions de lithium.

Les ions pouvaient se glisser dans les interstices moléculaires de l’électrode positive de la batterie, faite de titane et de soufre. L’électrode négative était quant à elle constituée de lithium.

Les performances de la batterie étaient déjà prometteuses, mais du lithium métallique avait tendance à s’accumuler sur l’électrode négative au fil des cycles de charge et de décharge. Quand des filaments en venaient à relier les deux bornes, la batterie était court-circuitée et explosait.

Dans la décennie suivante, John Goodenough comprit qu’utiliser une électrode positive faite d’un oxyde métallique, plutôt que d’un sulfite métallique, permettait de générer un plus grand voltage.

Par la suite, Akira Yoshino remplaça le lithium métallique de l’électrode négative par un matériau à base de carbone, comme il est coutume d’utiliser encore aujourd’hui. Éliminer complètement le lithium métallique réglait le problème des courts-circuits explosifs. M. Yoshino réalisait ainsi le premier prototype commercialisable.

Les batteries lithium-ion sont entrées sur le marché en 1991 sous étiquette Sony, à l’aube de l’ère des appareils électroniques portables.

Le plus vieux récipiendaire d’un Nobel

À 97 ans, John Goodenough est devenu mercredi le plus vieux lauréat d’un prix Nobel, toutes disciplines confondues.

Après un baccalauréat à Yale et juste avant l’obtention d’un doctorat à Université de Chicago, en 1952, M. Goodenough a servi dans l’armée américaine en tant que météorologue durant la Seconde Guerre mondiale.

Il a ensuite poursuivi son parcours professionnel au sein de certaines des institutions les plus réputées au monde — dont l’Université d’Oxford, au Royaume-Uni, où il a réalisé sa contribution à l’invention des batteries lithium-ion — avant de se poser à l’Université du Texas à Austin en 1986.

Il est toujours actif dans le monde de la recherche.