L’évolution des batteries: de la pile, au plomb, jusqu’aux dernières batteries au lithium

À l’occasion de la Journée Internationale de la Batterie (18 février), nous découvrons ensemble la genèse de la batterie, son histoire et son évolution: de l’invention de la pile par Alessandro Volta, aux batteries au plomb, en passant par les dernières générations de batteries au lithium (Lithium-Ion Technology).

De la pile au lithium: un élément omniprésent dans notre vie quotidienne

Vous êtes-vous un jour demandé comment serait notre monde aujourd’hui si les batteries n’existaient pas ? La batterie est un élément de plus en plus important dans la vie quotidienne de chacun d’entre nous. Il suffit de penser au nombre de dispositifs que vous utilisez à la maison ou au travail et qui nécessitent l’énergie d’une batterie pour fonctionner, qu’il s’agisse d’une simple pile AA, d’une pile plus petite AAA ou des plus grandes catégories de batteries au plomb ou au lithium utilisées pour alimenter les voitures particulières, les véhicules utilitaires et la nouvelle mobilité électrique.

L’énergie fournie par les batteries accompagne l'activité humaine depuis des décennies, marquant une évolution technologique continue vers des solutions toujours plus performantes. Du prototype historique de la pile de Volta jusqu'aux batteries sophistiquées pour véhicules électriques (EV), ce dispositif a profondément révolutionné notre quotidien. Aujourd'hui, les batteries constituent le véritable moteur de la transition énergétique, permettant à des secteurs entiers de se convertir à l'électrification afin d'atteindre de nouveaux standards d'efficacité énergétique et de durabilité environnementale.

Tout le monde les connaît, tout le monde les utilise, mais peu s’interrogent sur l’origine des batteries : quelle meilleure occasion de se plonger dans leur histoire que la Journée internationale de la batterie?

^{[Fig.1] Portrait d’Alessandro Volta}

Chaque année, le 18 février, on célèbre la Journée internationale de la batterie, une date qui n’est certainement pas due au hasard. En effet, le 18 février 1745, le chimiste et physicien italien qui a inventé le premier générateur statique d’énergie électrique, la pile, naissait à Côme. Nous parlons d’Alessandro Giuseppe Anastasio Volta, homme du monde à vocation scientifique, qui après des années d’études et d’expérimentations électrochimiques, créa en décembre 1799 dans le laboratoire de sa résidence de Lazzate (MB), le premier prototype de la pile moderne, qui est aujourd’hui conservé à l’Université de Pavie, au Musée d’Histoire.

Comment fonctionne la pile de Volta?

La pile d’Alessandro Volta fonctionne selon le principe de la cellule galvanique : il s’agit d’une colonne de plusieurs éléments similaires empilés les uns sur les autres (empilement alternant des disques de zinc et des disques de cuivre séparés les uns des autres par une couche de tissu imbibé d’eau et d’acide sulfurique), appelés éléments voltaïques. Les deux extrémités de la pile sont appelées pôles, et en les reliant au moyen d’un conducteur électrique, on crée un circuit dans lequel circule un courant continu, produisant ainsi une énergie indépendante du réseau électrique.

^{[Video 1] SuperQuark – La pila de Volta (Vidéo en langue originale)}

L’invention de la pile fut révélée à la communauté scientifique internationale par Volta lui-même, dans une lettre que le scientifique envoya le 20 mars 1800 au président de l’Académie des sciences anglaise, la célèbre Royal Society de Londres. Ce résultat fut ensuite publié dans la prestigieuse revue Philosophical Transactions of the Royal Society, ce qui a fait du scientifique le père reconnu de cette invention révolutionnaire. Saviez-vous que le volt, l’unité de mesure de la tension électrique, porte en effet le nom de famille d’Alessandro Volta en l’honneur de sa grande invention?

L’invention des batteries au lithium

Ayant à peine plus de 40 ans, les batteries au lithium sont nées en 1979 et ont été considérées, dès le départ, comme une véritable révolution. Il suffit de penser qu’en 2019, les pères fondateurs de cette technologie, Stanley Whittingham, John Goodenough et Akira Yoshino, ont reçu le prix Nobel de chimie pour avoir créé un véritable outil de la conduite du changement, qui, en très peu de temps, a complètement bouleversé notre mode de vie. Les batteries lithium-ion (Li-Ion) sont le cœur battant de la technologie moderne, alimentant une vaste gamme d'appareils, de l'électronique grand public (smartphones, tablettes, PC et wearables) à la micromobilité électrique et aux véhicules électriques (EV). Cependant, la véritable révolution actuelle réside dans le passage à la Smart Battery (batterie intelligente): l'intégration d'une électronique avancée et de systèmes de monitoring intelligents. Grâce au BMS (Battery Management System)ces batteries ne se limitent plus à fournir de l'énergie, mais communiquent des données en temps réel sur leur état de santé (State of Health - SoH) et leur sécurité. Cette intelligence embarquée rend les batteries au lithium indispensables non seulement dans les objets du quotidien, mais aussi dans les véhicules industriels et les systèmes de stockage complexes, garantissant une efficacité maximale et une durée de vie prolongée.

^{[Fig.3] Le fonctionnement d’une cellule au lithium}

Comment se présente une cellule au lithium?

Aujourd’hui, les cellules au lithium sont composées de deux électrodes: la cathode et l’anode. La première est ce que l’on appelle le pôle positif de la batterie, constitué d’un matériau de cathode (par exemple LFP, NMC, LMO, etc.) et d’un collecteur de courant. L’anode, quant à elle, est le pôle négatif de la batterie, constitué d’un matériau d’anode (par exemple, du carbone ou du graphite) et d’un collecteur de courant. Celles-ci sont isolées par un séparateur central, une fine couche de polymère plastique ou céramique, et l’ensemble est mouillé par un électrolyte, un liquide organique qui remplit le volume à l’intérieur de la cellule en mouillant les électrodes et en permettant le passage des ions lithium entre un pôle et l’autre.

Il existe différentes raisons pour lesquelles les batteries au lithium sont devenues la technologie par excellence de la transition vers l’électrification, mais nous pouvons tenter de résumer en 8 points les principaux avantages qui les distinguent de leurs précurseurs au plomb.

• Haut rendement énergétique (96 %)
• Vitesse de charge, qui permet d’effectuer une charge complète en seulement 2 heures (Fast Charging)
• Possibilité de charges et de charges partielles qui augmentent la durée de vie de la batterie
• Aucune maintenance, ce qui signifie également aucun coût de structure
• Haute densité énergétique, c’est-à-dire la capacité de stocker beaucoup d’énergie dans un petit volume
• Longue durée de vie, ce qui se traduit par des milliers de cycles de charge (Long Cycle Life)
• Poids maîtrisé, environ 5 fois plus léger que le poids d’une batterie au plomb
• La possibilité de choisir différentes chimies à base de lithium en fonction du véhicule ou du dispositif à électrifier

Une technologie performante et efficace à tous égards, testée et validée dans les domaines les plus divers, qui a littéralement bouleversé nos perceptions et nos habitudes, devenant ainsi un compagnon discret de notre quotidien. Cependant, dans le contexte industriel, la véritable révolution réside dans le BMS (Battery Management System) : le « cerveau » intelligent qui garantit la sécurité, une surveillance constante et des performances optimales.

Stanley Whittingham et la découverte du potentiel du lithium

Le chercheur Stanley Whittingham, très actif sur ce front, notamment dans la recherche de supraconducteurs, s’aperçut que le lithium, troisième élément du tableau périodique, avait un potentiel électrochimique qui en faisait un composant extrêmement puissant. Il s’agissait en effet du métal connu le plus léger qui soit, de l’élément solide le moins dense présentant le meilleur potentiel électrochimique, ce qui lui offrait également d’excellentes performances énergétiques et une maîtrise du poids.

D’où l’intuition: réaliser une batterie dont l’anode serait partiellement constituée de lithium métallique (qui, de par sa structure, peut facilement céder ses électrons) et la cathode de disulfure de titane, qui présente des espaces au niveau moléculaire pouvant intercaler des ions lithium. La batterie a révélé un très bon potentiel, un peu plus de 2 volts, une bonne densité énergétique et fonctionnait à température ambiante. Le principal problème constaté par Whittigham était lié à la sécurité, avec un risque élevé de court-circuit dû à la forte réactivité du lithium métallique.

John Goodenough et la hausse de la puissance des batteries

En 1980, le chimiste allemand John Goodenough a poursuivi le développement de cette technologie, tout d’abord en théorisant puis en développant une batterie avec une cathode en oxyde de cobalt, un élément capable d’élever le potentiel de la batterie à 4 volts. Grâce à cette découverte, la batterie a présenté une densité énergétique supérieure, un poids réduit et une capacité élevée. Une étape fondamentale qui a jeté les bases de la mobilité électrique du futur.

Akira Yoshino et la première batterie au lithium

Le premier prototype de batterie au lithium officiellement commercialisable a en revanche été créé par le chimiste et ingénieur japonais Akira Yoshino en 1985. Au lieu d’utiliser du lithium réactif dans l’anode, il a utilisé du coke de pétrole, un matériau carboné capable d’intercaler les ions lithium comme l’oxyde de cobalt de la cathode. Contrairement aux autres batteries fabriquées jusqu’alors, qui étaient basées sur des réactions chimiques qui détérioraient les éléments composant la cellule, cette nouvelle batterie au lithium permettait un véritable flux d’ions lithium entre l’anode et la cathode. Le résultat ? La batterie lithium-ion : un dispositif léger, caractérisé par une haute densité énergétique et capable de supporter des centaines de cycles de charge. Brevetée par Akira Yoshino en 1985 et commercialisée par Sony en 1991, cette innovation a officiellement donné le coup d'envoi à la production de masse. Elle marque l'acte de naissance d'une nouvelle ère technologique, qui a radicalement transformé le secteur des télécommunications et jeté les bases de la mobilité électrique moderne.

La Journée internationale de la batterie est un excellent moyen pour nous faire réfléchir, en reparcourant l’histoire et l’importance d’un outil qui est aujourd’hui devenu indispensable dans la plupart de nos activités.

Le secteur des batteries au lithium (Li-Ion) est aujourd'hui en pleine effervescence, porté par d'intenses activités de recherche et développement, des essais extrêmes en laboratoire et l'intégration d'une électronique toujours plus intelligente. La recherche s'oriente vers de nouvelles générations de cellules et de packs batteries évolués : l'exemple le plus marquant est celui des batteries à l'état solide (Solid-State Batteries). Cette technologie promet de redéfinir les règles du marché, en offrant un niveau de sécurité sans précédent, des temps de charge ultrarapides (Fast-Charge) et une densité énergétique supérieure, ouvrant ainsi la voie à des performances jusqu'alors inimaginables.

Les batteries à l'état solide (Solid-State Batteries) représentent une technologie encore en phase de maturation, mais destinée à devenir la clé de voûte de l'électrification de secteurs toujours plus exigeants. Ce nouveau paradigme technologique permet de surmonter les limites actuelles, en garantissant des performances élevées et une stabilité thermique supérieure.

Remarques*

^{Source Fig. 1: Portrait d’Alessandro Volta. Image tirée du site web Britannica.com le 17/02/23 https://www.britannica.com/biography/Alessandro-Volta
Source Vidéo 1: Superquark 2017 – La pile de Volta – épisode du 12/07/17 . Vidéo appartenant à RaiPlay bit.ly/3lEbhcN
Source Fig. 2: Structure d`une batterie au plomb. Image tirée du site Web de Suzuki Battery le 17/02/23. https://suzukibattery.com/history-of-the-lead-acid-battery/ 
Source Fig. 3: Comment fonctionne une cellule au lithium. Crédits animation: Sarah Harman et Charles Joyner  https://www.energy.gov/eere/articles/how-does-lithium-ion-battery-work
Source Fig. 4: Les pères fondateurs des batteries au lithium. Image tirée du site web The Guardian le 17/02/2 bit.ly/3S6pag0}