Si vous lisez ceci sur un téléphone portable ou un ordinateur portable, vous pourriez remercier les trois lauréats du prix Nobel de chimie de cette année pour leurs travaux sur les batteries lithium-ion.

Pourtant, les batteries développées par les Britanniques, Les gagnants américains et japonais qui rendent ces appareils possibles sont bien plus révolutionnaires que simplement pour l'informatique et les appels en déplacement. Les percées réalisées par les trois ont également rendu le stockage de l'énergie à partir de sources renouvelables plus réalisable, ouvrant un tout nouveau front dans la lutte contre le réchauffement climatique.

"C'est une histoire très chargée d'un énorme potentiel, " a déclaré Olof Ramstrom du comité Nobel de chimie.

Le prix annoncé mercredi est allé à John B. Goodenough, 97, un professeur d'ingénierie américain d'origine allemande à l'Université du Texas; M. Stanley Whittingham, 77, un professeur de chimie anglo-américaine à l'Université d'État de New York à Binghamton; et Akira Yoshino, 71, de la société chimique Asahi Kasei Corp. et de l'Université Meijo au Japon.

L'honneur décerné aux trois scientifiques est la pierre angulaire d'une technologie véritablement transformatrice qui a imprégné des milliards de vies à travers la planète, y compris toute personne utilisant des téléphones portables, des ordinateurs, stimulateurs cardiaques, voitures électriques et au-delà.

"Le cœur du téléphone est la batterie rechargeable. Le cœur du véhicule électrique est la batterie rechargeable. Le succès et l'échec de tant de nouvelles technologies dépendent des batteries, " a déclaré Alexej Jerschow, un chimiste à l'Université de New York, dont les recherches portent sur le diagnostic des batteries lithium-ion.

Whittingham a exprimé l'espoir que les projecteurs Nobel pourraient donner un nouvel élan aux efforts visant à répondre aux demandes mondiales voraces et croissantes en énergie.

"Je suis submergé de gratitude en recevant ce prix, et honnêtement j'ai tellement de gens à remercier, Je ne sais pas par où commencer, ", a-t-il déclaré dans un communiqué publié par son université. "J'espère que cette reconnaissance contribuera à faire la lumière sur l'avenir énergétique de la nation", a-t-il déclaré.

Assez bien, qui est considéré comme un géant intellectuel de la chimie et de la physique du solide, est la personne la plus âgée à avoir remporté un prix Nobel, devançant Arthur Ashkin, qui avait 96 ans lorsqu'il a reçu le prix Nobel de physique l'année dernière. Goodenough fonctionne toujours tous les jours.

"C'est la bonne chose - ils ne vous font pas prendre votre retraite à un certain âge au Texas. Ils vous permettent de continuer à travailler, ", a-t-il déclaré à des journalistes à Londres. "J'ai donc eu 33 ans de plus pour continuer à travailler au Texas."

Les trois ont chacun eu des percées uniques qui ont jeté les bases du développement d'une batterie rechargeable commerciale, pour remplacer les piles alcalines comme celles contenant du plomb ou du zinc, dont les origines remontent au XIXe siècle.

Les batteries lithium-ion, les premières batteries véritablement portables et rechargeables, ont mis plus d'une décennie à se développer, et s'est appuyé sur les travaux de plusieurs scientifiques aux États-Unis, Japon et dans le monde.

Le travail a ses racines dans la crise pétrolière des années 1970, quand Whittingham travaillait sur des efforts pour développer des technologies énergétiques sans combustibles fossiles. Il a exploité l'énorme tendance du lithium - le métal le plus léger - à donner ses électrons pour fabriquer une batterie capable de générer un peu plus de deux volts.

En 1980, Goodenough avait doublé la capacité de la batterie à quatre volts en utilisant de l'oxyde de cobalt dans la cathode, l'une des deux électrodes, avec l'anode, qui composent les extrémités d'une batterie.

Mais cette batterie est restée trop explosive pour un usage commercial général. C'est là que le travail de Yoshino dans les années 1980 est entré en jeu. Il a remplacé le coke de pétrole, un matériau carboné, dans l'anode de la batterie. Cette étape a ouvert la voie au premier poids léger, en sécurité, batteries commerciales durables et rechargeables à construire et à entrer sur le marché en 1991.

"Nous avons accédé à une révolution technique, " a déclaré Sara Snogerup Linse du comité Nobel de chimie. " Les lauréats ont développé des batteries légères avec un potentiel suffisamment élevé pour être utiles dans de nombreuses applications - des appareils électroniques vraiment portables :téléphones portables, stimulateurs cardiaques, mais aussi des voitures électriques longue distance."

"La capacité de stocker de l'énergie à partir de sources renouvelables - le soleil, le vent—ouvre la voie à une consommation d'énergie durable, " elle a ajouté.

S'exprimant lors d'une conférence de presse à Tokyo, Yoshino a dit qu'il pensait qu'il pourrait y avoir une longue attente avant que le comité Nobel se tourne vers sa spécialité, mais il avait tort. Il a annoncé la nouvelle à sa femme, qui était tout aussi surpris que lui.

"Je ne lui ai parlé que brièvement et lui ai dit, 'J'ai compris, ' et elle avait l'air si surprise que ses genoux faillirent céder, " il a dit.

Le trio se partagera 9 millions de couronnes (918 $, 000) récompense en espèces. Leurs médailles d'or et leurs diplômes seront remis à Stockholm le 10 décembre, date anniversaire de la mort du fondateur du prix Alfred Nobel en 1896.

Mardi, James Peebles, né au Canada, a remporté le prix Nobel de physique pour ses découvertes théoriques en cosmologie avec les scientifiques suisses Michel Mayor et Didier Queloz, qui ont été honorés pour avoir trouvé une exoplanète - une planète en dehors de notre système solaire - qui orbite autour d'une étoile de type solaire.

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Les Américains William G. Kaelin Jr. et Gregg L. Semenza et le Britannique Peter J. Ratcliffe ont remporté lundi le prix Nobel des progrès de la physiologie ou de la médecine. Ils ont été cités pour leurs découvertes de « comment les cellules détectent et s'adaptent à la disponibilité de l'oxygène ».

Deux lauréats du prix Nobel de littérature doivent être annoncés jeudi, un pour 2018 et un pour 2019, car le prix de l'année dernière a été suspendu après qu'un scandale d'abus sexuels a secoué l'Académie suédoise. Le prix Nobel de la paix tant convoité est vendredi et le prix de l'économie sera annoncé lundi.

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Communiqué de presse :Le prix Nobel de chimie 2019

L'Académie royale des sciences de Suède a décidé d'attribuer le prix Nobel de chimie 2019 à

John B. Goodenough
L'Université du Texas à Austin, Etats-Unis

M. Stanley Whittingham
Université de Binghamton, Université d'État de New York, Etats-Unis

Akira Yoshino
Asahi Kasei Corporation, Tokyo, Japon
Université Meijo, Nagoya, Japon

"pour le développement des batteries lithium-ion"

Ils ont créé un monde rechargeable

Le prix Nobel de chimie 2019 récompense le développement de la batterie lithium-ion. Ce poids léger, La batterie rechargeable et puissante est maintenant utilisée dans tout, des téléphones portables aux ordinateurs portables et aux véhicules électriques. Il peut également stocker des quantités importantes d'énergie solaire et éolienne, rendre possible une société sans combustibles fossiles.

Les batteries lithium-ion sont utilisées dans le monde pour alimenter les appareils électroniques portables que nous utilisons pour communiquer, travail, étudier, écouter de la musique et rechercher des connaissances. Les batteries lithium-ion ont également permis le développement de voitures électriques longue autonomie et le stockage d'énergie à partir de sources renouvelables, comme l'énergie solaire et éolienne.

Les fondations de la batterie lithium-ion ont été posées lors de la crise pétrolière des années 1970. Stanley Whittingham a travaillé sur le développement de méthodes qui pourraient conduire à des technologies énergétiques sans combustibles fossiles. Il se lance dans des recherches sur les supraconducteurs et découvre un matériau extrêmement riche en énergie, qu'il a utilisé pour créer une cathode innovante dans une batterie au lithium. Celui-ci était fabriqué à partir de bisulfure de titane qui, au niveau moléculaire, a des espaces qui peuvent abriter – intercaler – des ions lithium.

L'anode de la batterie était en partie en lithium métallique, qui a une forte tendance à libérer des électrons. Cela a abouti à une batterie qui avait littéralement un grand potentiel, un peu plus de deux volts. Cependant, le lithium métallique est réactif et la batterie était trop explosive pour être viable.

John Goodenough a prédit que la cathode aurait un potentiel encore plus grand si elle était fabriquée à l'aide d'un oxyde métallique au lieu d'un sulfure métallique. Après une recherche systématique, en 1980, il a démontré que l'oxyde de cobalt avec des ions lithium intercalés peut produire jusqu'à quatre volts. Ce fut une percée importante et conduirait à des batteries beaucoup plus puissantes.

Avec la cathode de Goodenough comme base, Akira Yoshino a créé la première batterie lithium-ion commercialement viable en 1985. Plutôt que d'utiliser du lithium réactif dans l'anode, il a utilisé du coke de pétrole, un matériau carboné qui, comme l'oxyde de cobalt de la cathode, peut intercaler des ions lithium.

Le résultat était un poids léger, batterie résistante qui pouvait être rechargée des centaines de fois avant que ses performances ne se détériorent. L'avantage des batteries lithium-ion est qu'elles ne reposent pas sur des réactions chimiques qui décomposent les électrodes, mais sur les ions lithium circulant dans les deux sens entre l'anode et la cathode.

Les batteries lithium-ion ont révolutionné nos vies depuis leur entrée sur le marché en 1991. Elles ont jeté les bases d'une technologie sans fil, société sans combustibles fossiles, et sont du plus grand bénéfice pour l'humanité.

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Formation scientifique populaire

Ils ont développé la batterie la plus puissante au monde

Le prix Nobel de chimie 2019 est décerné à John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham et Akira Yoshino pour leurs contributions au développement de la batterie lithium-ion. Cette batterie rechargeable a jeté les bases de l'électronique sans fil comme les téléphones portables et les ordinateurs portables. Il rend également possible un monde sans combustibles fossiles, car il est utilisé pour tout, de l'alimentation des voitures électriques au stockage de l'énergie à partir de sources renouvelables.

Un élément joue rarement un rôle central dans un drame, mais l'histoire du prix Nobel de chimie 2019 a un protagoniste clair :le lithium, un élément ancien qui a été créé pendant les premières minutes du Big Bang. L'humanité en a pris conscience en 1817, lorsque les chimistes suédois Johan August Arfwedson et Jöns Jacob Berzelius l'ont purifié à partir d'un échantillon minéral de la mine d'Utö, dans l'archipel de Stockholm.

Berzelius a nommé le nouvel élément d'après le mot grec pour pierre, lithos. Malgré son nom lourd, c'est l'élément solide le plus léger, c'est pourquoi nous remarquons à peine les téléphones portables que nous transportons maintenant.

Pour être tout à fait correct - les chimistes suédois n'ont pas réellement trouvé de lithium métallique pur, mais des ions lithium sous forme de sel. Le lithium pur a déclenché de nombreuses alarmes incendie, notamment dans l'histoire que nous allons raconter ici; c'est un élément instable qui doit être stocké dans l'huile pour qu'il ne réagisse pas avec l'air.

La faiblesse du lithium – sa réactivité – est aussi sa force. Au début des années 1970, Stanley Whittingham a utilisé l'énorme moteur du lithium pour libérer son électron externe lorsqu'il a développé la première batterie au lithium fonctionnelle. En 1980, John Goodenough a doublé le potentiel de la batterie, créant les bonnes conditions pour une batterie beaucoup plus puissante et utile. En 1985, Akira Yoshino a réussi à éliminer le lithium pur de la batterie, au lieu de le fonder entièrement sur des ions lithium, qui sont plus sûrs que le lithium pur. Cela a rendu la batterie utilisable dans la pratique. Les batteries lithium-ion ont apporté le plus grand avantage à l'humanité, car ils ont permis le développement des ordinateurs portables, téléphones portables, les véhicules électriques et le stockage de l'énergie produite par le solaire et l'éolien.

Nous allons maintenant remonter cinquante ans en arrière, au début de l'histoire très chargée de la batterie lithium-ion.

Petrol Haze revitalise la recherche sur les batteries

Au milieu du 20e siècle, le nombre de voitures à essence dans le monde a considérablement augmenté, et leurs gaz d'échappement ont aggravé le smog nocif trouvé dans les grandes villes. Cette, combinée à la prise de conscience croissante que le pétrole est une ressource limitée, a sonné l'alarme tant pour les constructeurs automobiles que pour les compagnies pétrolières. Ils devaient investir dans des véhicules électriques et des sources d'énergie alternatives pour que leurs entreprises survivent.

Les véhicules électriques et les sources d'énergie alternatives nécessitent tous deux des batteries puissantes capables de stocker de grandes quantités d'énergie. Il n'y avait vraiment que deux types de batteries rechargeables sur le marché à cette époque :la batterie plomb lourde qui avait été inventée en 1859 (et qui est toujours utilisée comme batterie de démarrage dans les voitures à essence) et la batterie nickel-cadmium qui s'est développé dans la première moitié du 20e siècle.

Les compagnies pétrolières investissent dans les nouvelles technologies

La menace d'épuisement du pétrole a donné naissance à un géant pétrolier, Exxon, décide de diversifier ses activités. Dans un investissement majeur dans la recherche fondamentale, ils ont recruté certains des meilleurs chercheurs de l'époque dans le domaine de l'énergie, en leur donnant la liberté de faire à peu près ce qu'ils voulaient tant qu'il n'y avait pas de pétrole.

Stanley Whittingham faisait partie de ceux qui ont déménagé à Exxon en 1972. Il venait de l'Université de Stanford, où ses recherches avaient inclus des matériaux solides avec des espaces de la taille d'un atome dans lesquels des ions chargés peuvent se fixer. Ce phénomène est appelé intercalation. Les propriétés des matériaux changent lorsque des ions sont capturés à l'intérieur. Chez Exxon, Stanley Whittingham et ses collègues ont commencé à enquêter sur les matériaux supraconducteurs, y compris le disulfure de tantale, qui peut intercaler des ions. Ils ont ajouté des ions au disulfure de tantale et étudié comment sa conductivité était affectée.

Whittingham découvre un matériau extrêmement dense en énergie

Comme c'est souvent le cas en science, cette expérience a conduit à une découverte inattendue et précieuse. Il s'est avéré que les ions potassium affectaient la conductivité du disulfure de tantale, et lorsque Stanley Whittingham a commencé à étudier le matériau en détail, il a observé qu'il avait une densité d'énergie très élevée. Les interactions qui se sont produites entre les ions potassium et le disulfure de tantale étaient étonnamment riches en énergie et, lorsqu'il a mesuré la tension du matériau, c'était quelques volts. C'était mieux que la plupart des batteries de l'époque. Stanley Whittingham s'est vite rendu compte qu'il était temps de changer de voie, passer au développement de nouvelles technologies qui pourraient stocker de l'énergie pour les véhicules électriques du futur. Cependant, le tantale est l'un des éléments les plus lourds et le marché n'avait pas besoin d'être chargé de batteries plus lourdes - il a donc remplacé le tantale par du titane, un élément qui a des propriétés similaires mais qui est beaucoup plus léger.

Lithium dans l'électrode négative

Le lithium n'est-il pas censé avoir une place de choix dans cette histoire ? Bien, c'est là que le lithium entre dans le récit – en tant qu'électrode négative de la batterie innovante de Stanley Whittingham. Le lithium n'était pas un choix aléatoire; dans une batterie, les électrons doivent passer de l'électrode négative - l'anode - à l'électrode positive - la cathode. Par conséquent, l'anode doit contenir un matériau qui cède facilement ses électrons et, de tous les éléments, le lithium est celui qui libère le plus volontiers des électrons.

Le résultat était une batterie au lithium rechargeable qui fonctionnait à température ambiante et – littéralement – ​​avait un grand potentiel. Stanley Whittingham s'est rendu au siège d'Exxon à New York pour parler du projet. La rencontre a duré une quinzaine de minutes, avec le groupe de gestion prenant par la suite une décision rapide :ils développeraient une batterie commercialement viable en utilisant la découverte de Whittingham.

La batterie explose et le prix du pétrole chute

Malheureusement, le groupe qui devait commencer à produire la batterie a subi quelques revers. Comme la nouvelle batterie au lithium a été chargée à plusieurs reprises, de fines moustaches de lithium se sont développées à partir de l'électrode de lithium. Quand ils ont atteint l'autre électrode, la batterie a été court-circuitée, ce qui pourrait provoquer une explosion. Les pompiers ont dû éteindre un certain nombre d'incendies et ont finalement menacé de faire payer au laboratoire les produits chimiques spéciaux utilisés pour éteindre les incendies de lithium.

Pour rendre la batterie plus sûre, de l'aluminium a été ajouté à l'électrode de lithium métallique et l'électrolyte entre les électrodes a été changé. Stanley Whittingham a annoncé sa découverte en 1976 et la pile a commencé à être produite à petite échelle pour un horloger suisse qui souhaitait l'utiliser dans des garde-temps à énergie solaire.

L'objectif suivant était de faire évoluer la batterie au lithium rechargeable afin qu'elle puisse alimenter une voiture. Cependant, le prix du pétrole a chuté de façon spectaculaire au début des années 1980 et Exxon a dû procéder à des réductions. Le travail de développement a été interrompu et la technologie de batterie de Whittingham a été concédée sous licence à trois sociétés différentes dans trois parties différentes du monde.

Cependant, cela ne signifie pas que le développement s'est arrêté. Quand Exxon a abandonné, John Goodenough a pris le relais.

La crise pétrolière intéresse Goodenough aux batteries

En tant qu'enfant, John Goodenough a eu d'importants problèmes d'apprentissage de la lecture, ce qui était l'une des raisons pour lesquelles il était attiré par les mathématiques et finalement – ​​après la Seconde Guerre mondiale – aussi par la physique. Il a travaillé pendant de nombreuses années au Lincoln Laboratory du Massachusetts Institute of Technology, MIT. Tandis que là-bas, il a contribué au développement de la mémoire vive (RAM) qui reste une composante fondamentale de l'informatique.

John Goodenough, comme tant d'autres dans les années 1970, touchée par la crise pétrolière et souhaitait contribuer au développement de sources d'énergie alternatives. Cependant, le Lincoln Laboratory était financé par l'US Air Force et ne permettait pas toutes sortes de recherches, Ainsi, lorsqu'on lui a offert un poste de professeur de chimie inorganique à l'Université d'Oxford en Grande-Bretagne, il saisit le risque et entra dans le monde important de la recherche énergétique.

Hautes tensions lorsque les ions lithium se cachent dans l'oxyde de cobalt

John Goodenough connaissait la batterie révolutionnaire de Whittingham, mais sa connaissance spécialisée de l'intérieur de la matière lui a dit que sa cathode pourrait avoir un potentiel plus élevé si elle était construite en utilisant un oxyde métallique au lieu d'un sulfure métallique. Quelques personnes de son groupe de recherche ont ensuite été chargées de trouver un oxyde métallique qui produisait une haute tension lorsqu'il intercalait des ions lithium, mais qui ne s'effondre pas lorsque les ions sont retirés.

Cette recherche systématique eut plus de succès que John Goodenough n'avait osé l'espérer. La batterie de Whittingham a généré plus de deux volts, mais Goodenough a découvert que la batterie avec de l'oxyde de lithium-cobalt dans la cathode était presque deux fois plus puissante, à quatre volts.

L'une des clés de ce succès a été la prise de conscience de John Goodenough que les batteries n'avaient pas besoin d'être fabriquées dans leur état chargé, comme cela avait été fait auparavant. Au lieu, ils pourraient être facturés par la suite. En 1980, il publia la découverte de cette nouvelle, matériau cathodique dense en énergie qui, malgré son faible poids, a abouti à puissant, batteries de grande capacité. Ce fut une étape décisive vers la révolution sans fil.

Les entreprises japonaises veulent des batteries légères pour les nouveaux appareils électroniques

Cependant, dans l'ouest, comme le pétrole est devenu moins cher, l'intérêt pâlit pour les investissements dans les technologies énergétiques alternatives et le développement des véhicules électriques. Les choses étaient différentes au Japon; les entreprises d'électronique cherchaient désespérément du poids léger, des piles rechargeables pouvant alimenter des appareils électroniques innovants, comme les caméras vidéo, téléphones et ordinateurs sans fil. Une personne qui a vu ce besoin était Akira Yoshino de la Asahi Kasei Corporation. Ou comme il l'a dit :« J'ai juste flairé la direction dans laquelle les tendances évoluaient. On pourrait dire que j'avais un bon sens de l'odorat.

Yoshino construit la première batterie lithium-ion commercialement viable

Quand Akira Yoshino a décidé de développer une batterie rechargeable fonctionnelle, il avait l'oxyde de lithium-cobalt de Goodenough comme cathode et a essayé d'utiliser divers matériaux à base de carbone comme anode. Les chercheurs avaient précédemment montré que les ions lithium pouvaient être intercalés dans les couches moléculaires du graphite, mais le graphite a été décomposé par l'électrolyte de la batterie. Le moment eurêka d'Akira Yoshino est venu quand il a plutôt essayé d'utiliser du coke de pétrole, un sous-produit de l'industrie pétrolière. Lorsqu'il chargea le coke de pétrole d'électrons, les ions lithium ont été attirés dans le matériau. Puis, quand il a allumé la batterie, les électrons et les ions lithium se sont dirigés vers l'oxyde de cobalt dans la cathode, qui a un potentiel beaucoup plus élevé.

La batterie développée par Akira Yoshino est stable, poids léger, a une capacité élevée et produit un remarquable quatre volts. Le plus grand avantage de la batterie lithium-ion est que les ions sont intercalés dans les électrodes. La plupart des autres batteries sont basées sur des réactions chimiques dans lesquelles les électrodes sont changées lentement mais sûrement. Lorsqu'une batterie lithium-ion est chargée ou utilisée, les ions circulent entre les électrodes sans réagir avec leur environnement. Cela signifie que la batterie a une longue durée de vie et peut être chargée des centaines de fois avant que ses performances ne se détériorent.

Un autre gros avantage est que la batterie n'a pas de lithium pur. En 1986, quand Akira Yoshino testait la sécurité de la batterie, il a fait preuve de prudence et a utilisé une installation conçue pour tester des engins explosifs. Il a laissé tomber un gros morceau de fer sur la batterie, mais rien ne s'est passé. Cependant, en répétant l'expérience avec une pile contenant du lithium pur, il y a eu une violente explosion.

La réussite des tests de sécurité était fondamentale pour l'avenir de la batterie. Akira Yoshino dit que c'était "le moment où la batterie lithium-ion est née".

La batterie lithium-ion – nécessaire pour une société sans combustibles fossiles

En 1991, une grande entreprise d'électronique japonaise a commencé à vendre les premières batteries lithium-ion, conduisant à une révolution dans l'électronique. Les téléphones portables ont rétréci, les ordinateurs sont devenus portables et des lecteurs MP3 et des tablettes ont été développés.

Ensuite, des chercheurs du monde entier ont parcouru le tableau périodique à la recherche de batteries encore meilleures, mais personne n'a encore réussi à inventer quelque chose qui surpasse la capacité et la tension élevées de la batterie lithium-ion. Cependant, la batterie lithium-ion a été changée et améliorée; entre autres, John Goodenough a remplacé l'oxyde de cobalt par du phosphate de fer, ce qui rend la batterie plus écologique.

Comme presque tout le reste, la production de batteries lithium-ion a un impact sur l'environnement, mais il y a aussi d'énormes avantages environnementaux. La batterie a permis le développement de technologies énergétiques plus propres et de véhicules électriques, contribuant ainsi à réduire les émissions de gaz à effet de serre et de particules.

Par leur travail, John Goodenough, Stanley Whittingham et Akira Yoshino ont créé les bonnes conditions pour une société sans fil et sans combustibles fossiles, and so brought the greatest benefit to humankind.

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