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

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’évolution de la pile : la batterie

La pile était certes une invention ingénieuse, mais elle présentait un problème majeur : elle ne pouvait pas être rechargée et donc, une fois déchargée, il fallait recommencer tout le processus. Le potentiel était toutefois extrêmement intéressant et c’est précisément la clairvoyance liée à ce concept de pile qui a permis à ce premier prototype d’évoluer, se transformant au fil du temps (et après plusieurs étapes) en la batterie que nous connaissons tous.

Mais si nous parlons de batteries, un véritable univers se dévoile, composé d’éléments chimiques, de capacités et de solutions conçues pour les besoins spécifiques des applications les plus diverses, de l’industrie à l’usage domestique et personnel.

La batterie s’est à son tour développée en plusieurs étapes, des batteries au plomb désormais obsolètes aux batteries au lithium les plus récentes, proposées dans une infinité de chimies différentes, jusqu’aux dernières générations de batteries encore plus avancées, comme les batteries à l’état solide, dont on parle beaucoup et qui sont encore à l’étude. En résumé, ce parcours encore en devenir tracera notre chemin pendant de nombreuses années, grâce à des mises à jour technologiques continues et à des études visant à rendre cette technologie toujours plus performante.

La naissance des batteries au plomb

Le premier descendant de la pile est la batterie au plomb, la première à faire décoller cette technologie. Inventée en 1859 par le physicien français Gaston Planté, la batterie au plomb présentait à l’époque un énorme avantage : elle était rechargeable, ce qui signifiait qu’elle pouvait être utilisée plusieurs fois et, si nécessaire, être restaurée à son état de charge complet.

Il s’agissait au départ de deux feuilles de plomb enroulées en spirale et séparées par une bande de caoutchouc, immergées dans un électrolyte d’acide sulfurique et contenues dans un bocal en verre. Cette technologie s’est perfectionnée au fil du temps, avec l’intervention du savant Camille Alphonse Feure, qui inventa une version beaucoup plus simple, à produire en série, qui consistait en une grille de plomb, dans laquelle était pressée une pâte d’oxyde de plomb, formant ainsi une plaque. Les batteries au plomb ont ensuite été améliorées, mais leur concept est resté très fidèle au prototype d’origine.

 *[Fig.2] Structure d’une batterie au plomb

Bien qu’elles soient encore utilisées dans de nombreuses voitures endothermiques et sur certains véhicules industriels, les batteries au plomb constituent désormais un choix obsolète et extrêmement limité en matière d’efficacité et de performances, notamment du point de vue de leur faible densité énergétique, de leurs cycles de vie extrêmement limités, de leurs temps de recharge longs et de leur poids très important, sans parler de l’entretien continu nécessaire pour les faire fonctionner au mieux. Dans de nombreux secteurs, elles ont donc été progressivement mises de côté pour laisser place à la technologie par excellence du nouveau millénaire : les batteries au lithium.

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 servent en effet à alimenter en énergie la plupart des outils, dispositifs électroniques, smartphones, tablettes, ordinateurs, montres, mais aussi vélos, trottinettes, voitures, machines et véhicules industriels appartenant aux secteurs les plus divers. En résumé, la plupart des outils avec lesquels nous nous interfaçons tous les jours fonctionnent précisément grâce à l’énergie fournie par les batteries au lithium.

 *[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
• 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
• 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 les effets, testée et validée dans les domaines les plus divers et qui a littéralement changé notre perception et nos habitudes, devenant un compagnon silencieux de notre vie quotidienne.

Mais comment les batteries au lithium ont-elles vu le jour et quel a été leur facteur de différenciation? Les trois pères fondateurs nous donnent les clés pour mieux comprendre

 *[Fig.4] Les pères fondateurs des batteries au lithium

L’histoire des batteries au lithium a commencé dans les années 1970, au plus fort de la crise énergétique, alors que la recherche de nouvelles ressources pour remplacer les combustibles fossiles était l’une des priorités.

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 ? Une batterie légère, présentant une bonne densité énergétique et surtout rechargeable des centaines de fois, brevetée par Yoshino en 1985 et commercialisée par Sony en 1991, coup d’envoi de la production de masse qui marquera l’entrée dans une nouvelle ère de communication et de mobilité.

L’avenir de la mobilité électrique passe par la recherche

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.

Mais la recherche dans le secteur des batteries au lithium est un volcan en constante ébullition, fait d’études méticuleuses, de tests techniques en laboratoire et caractérisé par la sélection minutieuse d’électronique et de composants de plus en plus intelligents : aujourd’hui, les recherches se poursuivent vers de nouvelles générations de cellules et de batteries de plus en plus performantes, telles que les batteries à électrolyte solide pour n’en citer que quelques-unes, qui semblent pouvoir offrir un degré de sécurité sans précédent, des temps de recharge ultrarapides et une densité énergétique toujours plus élevée.

Cette technologie est encore en phase de définition, mais elle pourrait être l’élément clé pour l’électrification de secteurs de plus en plus exigeants.