Avant de passer à la lecture, comptez le nombre d'appareils avec batteries à proximité dans un rayon de plusieurs mètres. Vous verrez sûrement un smartphone, une tablette, une montre «intelligente», un tracker de fitness, un ordinateur portable, une souris sans fil? Tous ces appareils contiennent des batteries lithium-ion - leur invention peut être considérée comme l'un des développements les plus importants dans le domaine de l'énergie.
Les batteries lithium-ion légères, haute capacité et compactes ont alimenté un boom de l'électronique portable qui était auparavant impossible. C'est juste que les gadgets ont fait un saut technologique fantastique au cours des 30 dernières années, et les batteries lithium-ion modernes sont presque impossibles à distinguer des premiers modèles de production du début des années 1990. Qui et comment a inventé les batteries rechargeables lithium-ion, quels composés y sont utilisés et existe-t-il une conspiration mondiale contre les batteries «éternelles»? Disons.
La légende de la première batterie
Peut-être deux millénaires se sont écoulés entre la première tentative de production d'électricité par des moyens chimiques et la création de batteries lithium-ion. Il y a une supposition non confirmée que la première cellule galvanique artificielle de l'histoire de l'humanité était la "batterie de Bagdad", trouvée en 1936 près de Bagdad par l'archéologue Wilhelm König. Une trouvaille datant du 2ème-4ème siècle avant JC. e., est un récipient en terre dans lequel se trouvent un cylindre de cuivre et une tige de fer, l'espace entre lequel pourrait être rempli d '«électrolyte» - acide ou alcali. La reconstruction moderne de la découverte a montré que lors du remplissage d'un récipient avec du jus de citron, une tension allant jusqu'à 0,4 volts peut être atteinte.
La batterie de Baghdad est assez similaire à une batterie portable. Ou un étui en papyrus?
À quoi pourrait servir la "batterie de Bagdad" s'il restait quelques milliers d'années avant la découverte de l'électricité? Peut-être a-t-il été utilisé pour appliquer avec précision de l'or aux statuettes par galvanisation - le courant et la tension de la «batterie» suffisent pour cela. Cependant, ce n'est qu'une théorie, car aucune preuve de l'utilisation de l'électricité et de cette même "batterie" par les peuples anciens ne nous est parvenue: à cette époque, la dorure était appliquée par fusion, et le vaisseau inhabituel lui-même aurait tout aussi bien pu être juste un conteneur protégé pour les rouleaux.
Théorie du petit bang
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Le proverbe russe «Il n'y aurait pas de bonheur, mais le malheur a aidé» est le meilleur moyen d'illustrer l'avancée des travaux sur les batteries lithium-ion. Sans un incident inattendu et désagréable, le développement de nouvelles batteries pourrait être retardé de plusieurs années.
Dans les années 1970, le Britannique Stanley Whittingham, qui travaillait pour la société de carburant et d'énergie Exxon, utilisait une anode en sulfure de titane et une cathode au lithium pour créer une batterie au lithium rechargeable. La première batterie au lithium rechargeable présentait des indicateurs de courant et de tension tolérables, elle n'explosait qu'occasionnellement et empoisonnait ceux qui l'entouraient avec du gaz: le disulfure de titane, au contact de l'air, libérait du sulfure d'hydrogène, au moins désagréable à respirer, et tout au plus dangereux. De plus, le titane était toujours très cher et, dans les années 1970, le prix du disulfure de titane était d'environ 1 000 dollars le kilogramme (soit 5 000 dollars à notre époque). Sans parler du fait que le lithium métallique brûle dans l'air. Exxon a donc mis le projet de Whittingham hors de danger.
En 1978, Koichi Mizushima, titulaire d'un doctorat en physique, effectuait des recherches à l'Université de Tokyo lorsqu'il a reçu une invitation d'Oxford à rejoindre l'équipe de John Goodenough dans la recherche de nouveaux matériaux pour les anodes de batterie. C'était un projet très prometteur, car le potentiel des sources d'énergie au lithium était déjà connu, mais il n'était en aucun cas possible d'apprivoiser le métal capricieux - des expériences récentes de Whittingham ont montré que le début de la production de masse des batteries lithium-ion tant convoitées était encore loin.
Les batteries expérimentales utilisaient une cathode au lithium et une anode en sulfure. La supériorité des sulfures par rapport aux autres matériaux dans les anodes a orienté Mizushima et ses collègues. Les scientifiques ont commandé un four de production de sulfures sur place dans leur laboratoire pour expérimenter plus rapidement divers composés. Le travail avec le poêle ne s'est pas bien terminé: un jour, il a explosé et a provoqué un incendie. L'incident a forcé l'équipe de recherche à reconsidérer ses plans: peut-être que les sulfures, malgré leur efficacité, n'étaient pas le meilleur choix. Les scientifiques ont déplacé leur attention vers les oxydes, qui étaient beaucoup plus sûrs à synthétiser.
Après de nombreux tests avec divers métaux, y compris le fer et le manganèse, Mizushima a constaté que l'oxyde de lithium et de cobalt fonctionnait le mieux. Cependant, il doit être utilisé différemment de la façon dont l'équipe de Goodenough l'avait précédemment supposé - ne pas rechercher un matériau qui absorbe les ions lithium, mais un matériau qui abandonne le plus volontiers les ions lithium. Le cobalt était également mieux adapté que d'autres car il répond à toutes les exigences de sécurité et augmente également la tension de la cellule à 4 volts, c'est-à-dire deux fois plus que les versions antérieures de batteries.
L'utilisation du cobalt était l'étape la plus importante, mais pas la dernière, dans le développement des batteries lithium-ion. Ayant fait face à un problème, les scientifiques ont été confrontés à un autre: la densité de courant était trop faible pour que l'utilisation de cellules lithium-ion soit économiquement justifiée. Et l'équipe, qui a fait une percée, a fait la seconde: lorsque l'épaisseur des électrodes a été réduite à 100 microns, il était possible d'augmenter l'intensité du courant au niveau d'autres types de batteries, tout en doublant la tension et la capacité.
Premières étapes commerciales
L'histoire de l'invention des batteries lithium-ion ne s'arrête pas là. Malgré la découverte de Mizushima, l'équipe de Goodenough n'avait pas encore d'échantillon prêt pour la production en série. En raison de l'utilisation de lithium métallique dans la cathode, pendant le chargement de la batterie, les ions lithium ne sont pas retournés à l'anode en couche uniforme, mais dans les dendrites - chaînes en relief, qui, en se développant, ont provoqué un court-circuit et des feux d'artifice.
En 1980, le scientifique marocain Rachid Yazami a découvert que le graphite faisait un excellent travail en tant que cathode, tout en étant absolument ignifuge. Mais les électrolytes organiques existant à cette époque se sont rapidement décomposés au contact du graphite, alors Yazami les a remplacés par un électrolyte solide. La cathode en graphite de Yazami a été inspirée par la découverte de la conductivité des polymères par le professeur Hideki Shirakawa, pour laquelle il a reçu le prix Nobel de chimie. Et la cathode en graphite Yazami est toujours utilisée dans la plupart des batteries lithium-ion.
Sommes-nous en train de démarrer la production? Et encore non! Encore 11 ans plus tard, les chercheurs ont amélioré la sécurité des batteries, augmenté la tension et expérimenté différents matériaux de cathode avant la mise en vente de la première batterie lithium-ion.
Le design commercial a été développé par Sony et le géant chimique japonais Asahi Kasei. C'était la batterie du caméscope amateur Sony CCD-TR1. Elle a supporté 1000 cycles de charge, et la capacité résiduelle après une telle usure était quatre fois plus élevée que celle d'une batterie nickel-cadmium du même type.
Pierre d'achoppement en cobalt
Avant la découverte de l'oxyde de lithium-cobalt par Koichi Mizushima, le cobalt n'était pas un métal très recherché. Ses principaux gisements ont été trouvés en Afrique dans l'État maintenant connu sous le nom de République démocratique du Congo. Le Congo est le plus grand fournisseur de cobalt - 54% de ce métal est extrait ici. En raison de la tourmente politique dans le pays dans les années 1970, le prix du cobalt a grimpé de 2000%, mais est ensuite revenu à ses valeurs antérieures.
Une forte demande crée des prix élevés. Ni dans les années 1990 ni dans les années 2000, le cobalt n'était l'un des principaux métaux de la planète. Mais qu'est-ce qui a commencé avec la vulgarisation des smartphones dans les années 2010! En 2000, la demande de métal était d'environ 2 700 tonnes par an. En 2010, lorsque les iPhones et les smartphones Android ont triomphé à travers la planète, la demande est passée à 25 000 tonnes et a continué de croître année après année. Désormais, le nombre de commandes dépasse de 5 fois le volume de cobalt vendu. Pour référence: plus de la moitié du cobalt extrait dans le monde est destiné à la production de batteries.
Tableau des prix du cobalt pour les 4 dernières années. Les commentaires sont superflus. Source: Elec.ru
Si en 2017 le prix de la tonne de cobalt était en moyenne de 24000 dollars, il a fortement augmenté depuis 2017, atteignant 95500 dollars en 2018. Bien que les smartphones n'utilisent que 5 à 10 grammes de cobalt, la hausse des prix des métaux a affecté le coût des appareils.
Et c'est l'une des raisons pour lesquelles les constructeurs de voitures électriques se soucient de réduire la proportion de cobalt dans les batteries automobiles. Par exemple, Tesla a réduit la masse du métal rare de 11 à 4,5 kg par voiture et prévoit à l'avenir de trouver des formulations efficaces sans cobalt du tout. Le prix du cobalt, qui avait augmenté anormalement haut en 2019, a chuté aux valeurs de 2015, mais les développeurs de batteries ont intensifié leurs travaux sur l'échec ou la réduction de la proportion de cobalt.
Dans les batteries lithium-ion traditionnelles, le cobalt représente environ 60% de la masse totale. La formulation lithium-nickel-manganèse utilisée dans les automobiles contient entre 10% et 30% de cobalt, selon les caractéristiques de batterie souhaitées. Composition lithium-nickel-aluminium - seulement 9%. Cependant, ces mélanges ne remplacent pas complètement l'oxyde de lithium-cobalt.
Problèmes Li-Ion
Différents types de batteries lithium-ion sont aujourd'hui les meilleures batteries pour la plupart des consommateurs. Capables, puissants, compacts et peu coûteux, ils présentent encore de sérieux inconvénients qui limitent leur utilisation.
Risque d'incendie
Pour un fonctionnement normal, une batterie au lithium-ion nécessite un contrôleur d'alimentation pour éviter la surcharge et la surchauffe. Sinon, la batterie se transforme en une chose très dangereuse au feu qui a tendance à gonfler et à exploser sous l'effet de la chaleur ou lorsqu'elle est chargée à partir d'un adaptateur de mauvaise qualité. Le risque d'explosion est peut-être le principal inconvénient des batteries lithium-ion. Pour augmenter la capacité, l'agencement est scellé à l'intérieur des batteries, grâce à quoi même un léger dommage à la coque entraîne instantanément un incendie. Tout le monde se souvient de l'histoire sensationnelle du Samsung Galaxy Note 7, dans laquelle, en raison de l'étanchéité à l'intérieur du boîtier, la coque de la batterie s'est effilochée au fil du temps, de l'oxygène a pénétré à l'intérieur et le smartphone a soudainement flashé. Depuis, certaines compagnies aériennes ne vous obligent qu'à transporter des batteries lithium-ion dans les bagages à main.et sur les vols cargo, les batteries ont un grand autocollant d'avertissement.
Vieillissement
Les batteries au lithium-ion sont susceptibles de vieillir même si elles ne sont pas utilisées. Par conséquent, un smartphone non emballé de 10 ans acheté comme objet de collection, par exemple le tout premier iPhone, tiendra beaucoup moins de charge en raison du vieillissement même de la batterie. À propos, les recommandations de garder les batteries chargées jusqu'à la moitié de leur capacité sont justifiées - avec une charge complète pendant le stockage à long terme, la batterie perd sa capacité maximale beaucoup plus rapidement.
Auto-décharge
Stocker de l'énergie dans des batteries lithium-ion et la stocker pendant des années est une mauvaise idée. En principe, toutes les batteries perdent leur charge, mais les batteries lithium-ion le font particulièrement rapidement. Alors que les cellules NiMH perdent 0,08 à 0,33% par mois, les cellules Li-Ion perdent 2 à 3% par mois. Ainsi, dans un an, une batterie lithium-ion perdra un tiers de sa charge, et après trois ans, elle «descendra» à zéro. Pour être juste, disons que les batteries au nickel-cadmium sont encore pires - 10% par mois. Mais c'est une histoire complètement différente.
Sensibilité à la température
Le refroidissement et la surchauffe affectent grandement les paramètres d'une telle batterie: +20 ° C degrés sont considérés comme la température ambiante idéale pour les batteries lithium-ion, si elle est réduite à +5 ° C, la batterie donnera à l'appareil 10% d'énergie en moins. Un refroidissement en dessous de zéro prend des dizaines de pour cent de la capacité et affecte également la santé de la batterie: si vous essayez de la charger, par exemple, à partir d'une banque d'alimentation, un "effet mémoire" apparaîtra et la batterie perdra irrévocablement de sa capacité en raison de la formation de lithium métallique sur l'anode. Aux températures hivernales russes moyennes, la cellule lithium-ion n'est pas fonctionnelle - laissez le téléphone à l'extérieur pendant une demi-heure en janvier pour être sûr.
Pour faire face aux problèmes décrits, les scientifiques expérimentent des matériaux pour anodes et cathodes. Lors du changement de composition des électrodes, un gros problème est remplacé par des problèmes plus petits: la sécurité incendie entraîne une diminution du cycle de vie et un courant de décharge élevé réduit la consommation d'énergie spécifique. Par conséquent, la composition des électrodes est choisie en fonction du domaine d'application de la batterie.
Qui a volé la révolution?
Chaque année, les fils de nouvelles rapportent une autre avancée dans la création de batteries extrêmement volumineuses et durables - il semble que les smartphones fonctionneront pendant un an sans se recharger et se chargeront en dix secondes. Et où est la révolution de la batterie que les scientifiques promettent à tout le monde?
Souvent, dans ces reportages, les journalistes déforment les faits, laissant de côté certains détails très importants. Par exemple, une batterie rechargeable instantanée peut avoir une capacité très faible, appropriée uniquement pour alimenter une alarme de chevet. Ou la tension n'atteint même pas un volt, bien que pour les smartphones, vous ayez besoin de 3,6 V. Et pour démarrer dans la vie, la batterie doit avoir un prix de revient bas et une sécurité incendie élevée. Malheureusement, l'écrasante majorité des développements étaient inférieurs dans au moins un paramètre, c'est pourquoi les batteries «révolutionnaires» ne sont jamais sorties des laboratoires.
À la fin des années 2000, Toshiba a expérimenté des piles à combustible rechargeables au méthanol (ravitaillant la batterie avec du méthanol sur la photo), mais les batteries lithium-ion étaient encore plus pratiques.
Et, bien sûr, laissons de côté la théorie du complot "les accumulateurs sans fin ne sont pas rentables pour les fabricants". De nos jours, les batteries des appareils grand public sont irremplaçables (ou plutôt, elles peuvent être changées, mais difficiles). Il y a 10 à 15 ans, remplacer une batterie endommagée dans un téléphone portable était facile, mais les blocs d'alimentation ont vraiment perdu leur capacité pendant un an ou deux d'utilisation active. Les batteries lithium-ion modernes durent plus longtemps que le cycle de vie moyen de l'appareil. Dans les smartphones, vous pouvez penser à remplacer la batterie au plus tôt après 500 cycles de charge, lorsqu'elle perd 10 à 15% de sa capacité. Et plutôt, le téléphone lui-même perdra sa pertinence avant que la batterie ne tombe finalement en panne. Autrement dit, les fabricants de batteries gagnent de l'argent non pas en les remplaçant, mais en vendant des batteries pour de nouveaux appareils. Ainsi, une batterie «éternelle» dans un téléphone de dix ans ne nuira pas à votre entreprise.
L'équipe Goodenough est de retour en action
Qu'est-il arrivé aux scientifiques du groupe de John Goodenough, qui ont découvert l'oxyde de lithium-cobalt et ont ainsi donné vie à des batteries lithium-ion efficaces?
En 2017, Goodenough, 94 ans, a déclaré avoir travaillé avec des scientifiques de l'Université du Texas pour développer un nouveau type de batterie à semi-conducteurs capable de stocker 5 à 10 fois plus d'énergie que les batteries lithium-ion précédentes. Pour cela, les électrodes étaient constituées de lithium et de sodium purs. Un prix bas est également promis. Mais il n'y a toujours pas de détails et de prévisions sur le début de la production de masse. Compte tenu du long trajet entre la découverte du groupe Goodenough et le début de la production de masse de batteries lithium-ion, de vrais échantillons peuvent être attendus dans 8 à 10 ans.
Koichi Mizushima poursuit ses travaux de recherche chez Toshiba Research Consulting Corporation. «Avec le recul, je suis surpris que personne avant nous n'ait deviné utiliser un matériau aussi simple que l'oxyde de lithium-cobalt sur l'anode. À ce moment-là, de nombreux autres oxydes avaient été essayés, donc, probablement, sinon pour nous, alors dans quelques mois, quelqu'un d'autre aurait fait cette découverte », a-t-il déclaré.
Koichi Mizushima avec un prix de la Royal Society of Chemistry of Great Britain pour sa contribution au développement des batteries lithium-ion.
L'histoire ne tolère pas les humeurs subjonctives, d'autant plus que M. Mizushima lui-même admet qu'une percée dans la création de batteries lithium-ion était inévitable. Mais il est toujours intéressant d'imaginer à quoi ressemblerait le monde de l'électronique mobile sans batteries compactes et volumineuses: des ordinateurs portables de plusieurs centimètres d'épaisseur, d'énormes smartphones à recharger deux fois par jour, et pas de smartwatches, bracelets de fitness, caméras d'action, quadricoptères, etc. même les véhicules électriques. Chaque jour, des scientifiques du monde entier rapprochent une nouvelle révolution énergétique, qui nous donnera des batteries plus puissantes et plus compactes, et avec elles une électronique incroyable, dont nous ne pouvons que rêver.