Goodenough a remplacé le sulfure par l'oxyde et créé une cathode au lithium de 4 volts en 1980

La batterie au lithium est née de la crise pétrolière des années 1970, lorsque M. Stanley Whittingham, chez Exxon, cherchait un stockage d'énergie sans combustibles fossiles et trouva une cathode extrêmement riche en énergie dans le disulfure de titane, dont les couches moléculaires hébergent — intercalent — les ions lithium. Associée à une anode partiellement constituée de lithium métallique, elle fournissait un peu plus de deux volts de potentiel réel. Mais le lithium métallique est réactif : la batterie était, selon les mots du comité Nobel, trop explosive pour être viable.

John Goodenough, alors directeur de la chimie inorganique à Oxford, prédit qu'une cathode à base d'oxyde métallique plutôt que de sulfure métallique aurait un potentiel encore plus grand. Après une recherche systématique menée avec Koichi Mizushima, Philip Wiseman et P. C. Jones, il démontra en 1980 que l'oxyde de cobalt avec des ions lithium intercalés pouvait produire jusqu'à quatre volts — un espace de conception sans anode en lithium métallique s'ouvrait, et le groupe déposa une demande de brevet américain sur la famille de cathodes à conducteur rapide d'ions le 31 mars 1980.

Cette cathode devint la fondation sur laquelle les deux autres lauréats du prix de chimie 2019 bâtirent leurs travaux : en 1985, Akira Yoshino, chez Asahi Kasei, l'associa à une anode en carbone de coke de pétrole capable elle aussi d'intercaler le lithium, produisant la première cellule lithium-ion commercialement viable, commercialisée à partir de 1991. Parce que la chimie fait aller et venir les ions lithium au lieu de décomposer les électrodes, la batterie se recharge des centaines de fois — et elle alimente aujourd'hui téléphones, ordinateurs portables, voitures électriques et stockage d'énergie renouvelable. Le comité Nobel l'a qualifiée de fondation d'une société sans fil et sans combustibles fossiles.

Cathode à oxyde, et non à sulfure : quatre volts au lieu de deux

L'électronégativité plus élevée de l'oxyde porte le potentiel de la cathode à environ quatre volts, doublant à peu près la densité d'énergie par rapport à la conception au sulfure, sans aucun changement au problème de l'anode en lithium métallique.

La structure d'intercalation survit à l'insertion et au retrait des ions, si bien que la cathode est rechargeable plutôt que consommable — la batterie cycle au lieu de se dégrader.

La recherche systématique de matériaux était guidée par la théorie : Goodenough prédit d'abord l'avantage de l'oxyde à partir de la chimie cristalline, puis testa l'oxyde de cobalt, plutôt que de cribler au hasard.

La voie d'extraction électrochimique à basse température du brevet permit d'obtenir des compositions que la synthèse à haute température ne pouvait atteindre, transformant un problème de stabilité en méthode de fabrication.

Quand un composant échoue, remettez en question la classe de matériau, pas la pièce. Les incendies étaient imputés au lithium métallique, mais le vrai problème résidait dans la chimie de la cathode — changez-la, et le concept survit.

La cellule à anode en carbone de Yoshino en 1985 s'appuyait directement sur la cathode de Goodenough et arriva sur le marché en 1991 ; les batteries lithium-ion alimentèrent ensuite l'électronique portable mondiale, permirent les voitures électriques à longue autonomie et stockèrent l'énergie solaire et éolienne. Le prix de chimie 2019 fut décerné conjointement à Goodenough, Whittingham et Yoshino pour cette fondation — un Nobel rare pour une substitution de matériau qui doubla une tension.