Indépendamment des considérations de performance, de coût ou de sécurité, les batteries rechargeables entièrement solides constituent le meilleur choix pour remplacer l’énergie fossile et, à terme, ouvrir la voie à des véhicules à énergie nouvelle.
En tant qu'inventeur de matériaux cathodiques tels que LiCoO2, LiMn2O4 et LiFePO4, Goodenough est bien connu dans le domaine debatteries lithium-ionet est véritablement le « père des batteries lithium-ion ».
Dans un article récent paru dans NatureElectronics, John B. Goodenough, 96 ans, revient sur l'histoire de l'invention de la batterie lithium-ion rechargeable et montre la voie à suivre.
Dans les années 1970, une crise pétrolière éclate aux États-Unis.Conscient de sa dépendance excessive à l’égard des importations de pétrole, le gouvernement a lancé un effort majeur pour développer l’énergie solaire et éolienne.En raison de la nature intermittente de l’énergie solaire et éolienne,batteries rechargeablesont finalement été nécessaires pour stocker ces sources d’énergie renouvelables et propres.
La clé d’une charge et d’une décharge réversibles est la réversibilité de la réaction chimique !
À cette époque, la plupart des batteries non rechargeables utilisaient des électrodes négatives au lithium et des électrolytes organiques.Afin de réaliser des batteries rechargeables, tout le monde a commencé à travailler sur l’incorporation réversible d’ions lithium dans des cathodes de sulfure de métal de transition en couches.Stanley Whittingham d'ExxonMobil a découvert qu'une charge et une décharge réversibles pouvaient être obtenues par une chimie d'intercalation utilisant du TiS2 en couches comme matériau cathodique, le produit de décharge étant du LiTiS2.
Cette cellule, développée par Whittingham en 1976, a atteint un bon rendement initial.Cependant, après plusieurs répétitions de charge et de décharge, des dendrites de lithium se sont formées à l'intérieur de la cellule, qui se sont développées de l'électrode négative à l'électrode positive, créant un court-circuit susceptible d'enflammer l'électrolyte.Cette tentative, encore une fois, s’est soldée par un échec !
Pendant ce temps, Goodenough, qui a déménagé à Oxford, étudiait quelle quantité de lithium pouvait au maximum être désincorporée des matériaux cathodiques en couches LiCoO2 et LiNiO2 avant que la structure ne change.Au final, ils ont réussi à désincruster de manière réversible plus de la moitié du lithium du matériau cathodique.
Cette recherche a finalement guidé Akira Yoshino d'AsahiKasei à préparer le premierbatterie lithium-ion rechargeable: LiCoO2 comme électrode positive et carbone graphitique comme électrode négative.Cette batterie a été utilisée avec succès dans les premiers téléphones portables de Sony.
Afin de réduire les coûts et d’améliorer la sécurité.La batterie rechargeable entièrement solide avec un électrolyte solide semble être une direction importante pour le développement futur.
Dès les années 1960, les chimistes européens ont travaillé sur l’incorporation réversible d’ions lithium dans des matériaux sulfurés de métaux de transition en couches.À cette époque, les électrolytes standards pour les batteries rechargeables étaient principalement des électrolytes aqueux fortement acides et alcalins tels que H2SO4 ou KOH.Car, dans ces électrolytes aqueux, H+ a une bonne diffusivité.
À cette époque, les batteries rechargeables les plus stables étaient fabriquées avec des couches de NiOOH comme matériau de cathode et un électrolyte aqueux alcalin fort comme électrolyte.h+ pourrait être incorporé de manière réversible dans la cathode en couches de NiOOH pour former Ni(OH)2.le problème était que l'électrolyte aqueux limitait la tension de la batterie, ce qui entraînait une faible densité énergétique.
En 1967, Joseph Kummer et NeillWeber de Ford Motor Company ont découvert que Na+ possède de bonnes propriétés de diffusion dans les électrolytes céramiques au-dessus de 300°C.Ils ont ensuite inventé une batterie rechargeable Na-S : du sodium fondu comme électrode négative et du soufre fondu contenant des bandes de carbone comme électrode positive.En conséquence, ils ont inventé une batterie rechargeable Na-S : du sodium fondu comme électrode négative, du soufre fondu contenant une bande de carbone comme électrode positive et une céramique solide comme électrolyte.Cependant, la température de fonctionnement de 300°C condamnait cette batterie à être impossible à commercialiser.
En 1986, Goodenough a réalisé une batterie au lithium rechargeable entièrement solide sans génération de dendrites en utilisant NASICON.Actuellement, des batteries rechargeables au lithium et au sodium entièrement solides basées sur des électrolytes solides telles que NASICON ont été commercialisées.
En 2015, MariaHelena Braga de l'Université de Porto a également démontré un électrolyte solide isolant et poreux à base d'oxyde avec une conductivité des ions lithium et sodium comparable aux électrolytes organiques actuellement utilisés dans les batteries lithium-ion.
En bref, quelles que soient les considérations de performance, de coût ou de sécurité, les batteries rechargeables entièrement solides sont le meilleur choix pour remplacer l'énergie fossile et, à terme, ouvrir la voie aux véhicules à énergie nouvelle !
Heure de publication : 25 août 2022