Investir dans les réalisations du prix Nobel : les batteries lithium-ion pour alimenter le monde

Histoire du prix Nobel

Le prix Nobel est la récompense la plus prestigieuse du monde scientifique. Il a été créé conformément au testament de M. Alfred Nobel afin d’attribuer un prix « aux personnes qui, au cours de l’année précédente, ont apporté le plus grand bénéfice à l’humanité » en physique, chimie, physiologie ou médecine, littérature et paix. Un sixième prix a ensuite été créé pour les sciences économiques par la banque centrale suédoise.

La décision d’attribuer le prix revient à plusieurs institutions académiques suédoises.

Préoccupations liées à l’héritage

La décision de créer le prix Nobel est venue à Alfred Nobel après qu’il ait lu son propre nécrologue, suite à une erreur d’un journal français qui avait mal compris la nouvelle du décès de son frère. Intitulé « Le marchand de la mort est mort », l’article français critiquait Nobel pour son invention d’explosifs sans fumée, dont la dynamite était la plus célèbre.

Ses inventions ont fortement influencé la guerre moderne, et Nobel a acheté une immense aciérie pour en faire un grand fabricant d’armements. En tant que chimiste, ingénieur et inventeur, il s’est rendu compte qu’il ne voulait pas que son héritage soit celui d’un homme connu pour avoir fait fortune grâce à la guerre et à la mort d’autrui.

Prix Nobel

De nos jours, la fortune de Nobel est placée dans un fonds investi pour générer des revenus afin de financer la Fondation Nobel ainsi que la médaille verte plaquée or, le diplôme et la récompense monétaire de 11 millions de SEK (environ 1 million de dollars) attribuée aux lauréats.

Source: Britannica

Souvent, l’argent du prix Nobel est partagé entre plusieurs lauréats, notamment dans les domaines scientifiques où il est courant que 2 ou 3 figures majeures contribuent ensemble ou en parallèle à une découverte révolutionnaire.

Au fil des années, le prix Nobel est devenu LE prix scientifique, cherchant à équilibrer découvertes théoriques et très pratiques. Il a récompensé des réalisations qui ont posé les bases du monde moderne comme la radioactivité, les antibiotiques, les rayons X ou la PCR, ainsi que des sciences fondamentales telles que la source d’énergie du soleil, la charge de l’électron, la structure atomique ou la superfluidité.

Une batterie pour tout alimenter

Aujourd’hui, l’électrification apparaît comme une tendance imparable, envahissant nos systèmes énergétiques et remplaçant les combustibles fossiles, des véhicules électriques aux pompes à chaleur. Rien de tout cela n’aurait été possible sans l’émergence de batteries radicalement plus puissantes que les conceptions antérieures basées sur le métal et l’acide.

Les batteries, en tant que concept général, fonctionnent en stockant l’électricité et en la restituant. Si certaines batteries sont à usage unique, les batteries les plus utiles sont rechargeables. Pendant très longtemps, la batterie au plomb‑acide, inventée au milieu des années 1800, a été la forme dominante de batterie rechargeable grâce à son faible coût et à sa robustesse.

Source: Electrical 4 U

Dans leur forme la plus simple, les batteries au plomb‑acide fonctionnent en transférant des ions soufre de l’acide aux atomes de plomb lors de la charge et en inversant cette réaction lors de la décharge.

Source: PV Education

Cette conception est restée le format dominant des batteries mais était limitée par plusieurs problèmes:

• Poids élevé
• Matériaux corrosifs.
• Durée de vie relativement courte, avec seulement quelques centaines à mille cycles.
• Auto-décharge au fil du temps.
• Capacité de stockage d’énergie/densité énergétique limitée.

Tous ces facteurs limitants faisaient de la batterie au plomb‑acide une bonne option pour les applications à faible puissance comme l’allumage et la radio d’une voiture à essence. Mais tout ce qui est plus exigeant, de l’électronique au remplacement des combustibles fossiles, ne fonctionnerait pas avec ce type de batterie.

Cela a changé grâce au travail combiné de trois chercheurs différents, John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham, et Akira Yoshino. Ensemble, ils ont remporté le prix Nobel de chimie en 2019 pour leur contribution à la création de la batterie lithium‑ion.

Source: Nobel Prize

Aujourd’hui, les batteries lithium‑ion sont passées de l’alimentation des ordinateurs, smartphones et batteries de secours aux véhicules électriques, aux réseaux électriques et peut‑être bientôt même aux avions.

Propriétés électriques uniques du lithium

Le lithium a été découvert pour la première fois en 1817 par des chimistes suédois. C’est l’élément solide le plus léger, avec le numéro atomique 3 (seuls 3 protons dans son noyau).

Source: Medium

La petite taille des atomes de lithium signifie qu’ils ne possèdent qu’un seul électron sur leur couche externe, et lorsque cet électron se déplace vers un autre atome, cela engendre un changement de potentiel électrique énorme par atome.

Bien que cette réactivité extrême soit idéale pour les batteries, elle comporte certains dangers. En raison de la forte réactivité de l’élément, le lithium métallique pur peut s’auto‑enflammer au contact de l’eau ou de l’air. C’est quelque peu similaire au sodium ou au magnésium métalliques.

La plupart des batteries fonctionnent autour du concept de base d’une anode négative et d’une cathode positive, reliées par un électrolyte liquide.

Source: Nobel Prize

L’extrême réactivité du lithium a signifié que l’électrolyte ne pouvait pas être à base d’eau. Dans les années 1960, plusieurs électrolytes de ce type ont été conçus à partir de molécules organiques (à base de carbone), afin de trouver le bon mélange d’inertie, de point de fusion, de stabilité redox, de solubilité des ions lithium et des sels, de vitesses de transfert ion/électron, de viscosité, etc.

Source: Nobel Prize

La conception initiale des batteries lithium‑ion utilisait du lithium métallique comme anode et des composés carbonates comme électrolytes. Mais trouver le bon matériau pour la cathode était plus difficile.

Le grand pétrole crée les batteries au lithium

Aussi surprenant que cela puisse paraître, la genèse de la batterie lithium‑ion moderne, qui finirait par menacer la voiture à moteur à combustion interne, a été développée chez « Big Oil » Exxon Research and Engineering Company.

Dans les années 1970, l’idée du « pic pétrolier », c’est‑à‑dire l’épuisement des réserves de pétrole, était perçue comme une menace très sérieuse par les compagnies pétrolières. Souhaitant garantir la présence continue de l’entreprise dans le secteur énergétique, Exxon a recruté certains des meilleurs scientifiques du domaine. Elle leur a accordé des budgets de recherche généreux ainsi qu’une rare liberté de poursuivre indépendamment l’idée qu’ils jugeaient la plus prometteuse.

Parmi eux se trouvait Stanley Whittingham, chercheur à l’Université Stanford spécialisé dans « l’intercalation ». L’intercalation est le phénomène où des cavités de taille atomique dans un matériau peuvent se lier à des ions.

L’intercalation constituerait le matériau idéal pour fabriquer une cathode pour les batteries lithium‑ion, retenant les ions lithium dans les espaces.

Cela nécessitait toutefois beaucoup de recherche, la cathode devant également répondre à une longue liste de spécifications:

• Ne pas se dissoudre dans l’électrolyte.
• Pas d’intercalation de l’électrolyte.
• L’intercalation doit être réversible.
• Modifications structurelles minimales lors de la charge et de la décharge.
• Peut fonctionner à température et pression ambiantes.

Whittingham a finalement opté pour le disulfure de titane (TiS2), après avoir envisagé le disulfure de tantale, mais a choisi le titane en raison du poids élevé du tantale.

Source: Nobel Prize

Pour améliorer les performances, ils ont trouvé une méthode consistant à mélanger de la poudre de TiS2 avec du Téflon, fixée à un support en acier, entourée d’un film en polypropylène et de lithium métallique.

Le problème des dendrites

Un problème continuait de hanter la batterie lithium‑ion potentielle. Au cours de nombreux cycles de charge‑décharge, une structure en forme d’arbre appelée dendrite se formait à partir du lithium.

Source: Nobel Prize

En perçant l’isolant séparant les deux segments de la batterie, les dendrites créaient un court‑circuit. Ce problème a stoppé le développement d’une batterie lithium‑ion commerciale.

Lorsqu’elles atteignaient l’autre électrode, la batterie faisait un court‑circuit, ce qui pouvait provoquer une explosion.

Les pompiers ont dû éteindre plusieurs incendies et ont finalement menacé de faire payer au laboratoire les produits chimiques spéciaux utilisés pour éteindre les feux de lithium.

Les dendrites ont été rendues plus maîtrisables en ajoutant de l’aluminium à l’anode de lithium, créant ainsi la première batterie lithium‑ion commerciale, utilisée dans les montres en 1976.

Parallèlement, les prix du pétrole qui avaient flambé pendant la stagflation des années 1970 ont redescendu. De nouveaux gisements de pétrole ont également été découverts, réduisant la crainte du pic pétrolier. Cela a aussi réduit les revenus et les bénéfices d’Exxon, obligeant l’entreprise à réduire la recherche fondamentale et à concéder sous licence la batterie nouvellement inventée à d’autres sociétés.

Meilleur matériau de cathode

Alors que Stanley Whittingham avait créé une cathode viable, le prochain lauréat du prix Nobel, John Goodenough, a amélioré son potentiel électrique, augmentant les performances de la batterie.

Goodenough, physicien et mathématicien, avait auparavant contribué à l’invention de la mémoire à accès aléatoire (RAM) au MIT. Il a ensuite rejoint l’Université d’Oxford pour se lancer dans la recherche sur les systèmes énergétiques, et plus particulièrement les batteries.

En étudiant les batteries lithium‑ion récemment inventées, il a réalisé que l’oxyde métallique pouvait fonctionner encore mieux que le sulfure métallique de Whittingham. Après une recherche systématique, il a découvert que la conception lithium‑cobalt‑oxyde offrait deux fois plus de potentiel électrique que la conception précédente, à 4 V, et a publié sa découverte en 1980.

Source: Nobel Prize

Cette conception à base de cobalt est restée la caractéristique dominante des batteries lithium‑ion jusqu’à la dernière décennie, où des chimies alternatives sans cobalt pour les batteries lithium ont commencé à apparaître. Un processus toujours en cours, comme nous l’avons évoqué dans notre article « Concevoir une meilleure batterie – Au revoir le cobalt et bonjour… TAQ ? ».

Un nouveau foyer pour la recherche sur le lithium

Dans les pays occidentaux, la forte chute des prix du pétrole dans les années 1980 a réduit la demande de solutions énergétiques alternatives. Cependant, au Japon, l’électronique portable grand public est devenue une industrie florissante. Elle nécessitait une alimentation croissante, durable, légère et suffisamment petite pour tenir dans les Walkmans, appareils photo, ordinateurs, téléphones sans fil, etc.

Akira Yoshino, de la société Asahi Kasei, a rapidement compris que les batteries étaient le maillon manquant essentiel et que l’industrie en aurait besoin.

Les batteries lithium‑ion convenaient bien en termes de densité énergétique, et elles disposaient désormais d’une bonne cathode grâce à la conception à base de cobalt de Goodenough. Cependant, le problème de l’anode en lithium métallique et de ses dendrites dangereuses persistait.

Yoshino a testé des batteries contenant du lithium pur et a constaté que des essais, comme laisser tomber un poids lourd sur la batterie, pouvaient provoquer une puissante explosion. Cela était trop dangereux pour que les batteries plus grandes respectent les lois de protection des consommateurs, et constituerait de toute façon une catastrophe de relations publiques en devenir.

Retirer le lithium de l’anode

Le graphite, ou carbone pur, comme la mine d’un crayon, était depuis longtemps connu comme un remplacement potentiel de l’anode en lithium métallique, grâce à son faible potentiel électrique par rapport à Li+/Li. Le problème était que le graphite se détériorait et se fragmentait dans l’électrolyte organique.

L’idée clé d’Akira Yoshino, qui lui a valu le prix Nobel, était d’utiliser du coke pétrolier à la place du graphite. Le coke est un sous‑produit de l’industrie pétrolière, et certaines qualités du produit se sont avérées stables dans les conditions requises pour former une batterie lithium‑ion.

Yoshino a également constaté que l’anode en coke, avec le bon degré de cristallinité, pouvait accueillir et libérer de grandes quantités d’ions lithium. Cette conception était beaucoup plus sûre, ouvrant la voie à la commercialisation de batteries lithium‑ion plus grandes.

Yoshino a ensuite construit une telle batterie en combinant son anode en coke nouvellement développée et la cathode en oxyde de cobalt de Goodenough.

Elle a été commercialisée en 1991 par Sony et Asahi Kasei, 11 ans après la découverte de Goodenough et 15 ans après la première batterie lithium‑ion commercialisée par Whittingham.

Source: Nobel Prize

Héritage du lithium‑ion et pertinence continue

Les batteries lithium‑ion à coke/cobalt‑oxyde de Yoshino se sont rapidement répandues dans tous les appareils électroniques modernes. Elles ont co‑évolué avec les progrès de l’informatique et de l’électronique pour créer successivement des ordinateurs portables, lecteurs mp3, smartphones, consoles portables et tablettes omniprésentes dans nos vies.

Le lithium‑ion a connu une nouvelle révolution avec l’émergence des véhicules électriques. Ils ont d’abord été stimulés par Tesla et des constructeurs chinois comme BYD (une entreprise de batteries avant de devenir le plus grand constructeur automobile électrique du monde, voir plus d’informations sur BYD à la fin de l’article).

Comme un seul véhicule électrique consomme le volume de batterie de centaines de smartphones ou d’ordinateurs, ce changement de marché a entraîné une explosion de la demande de batteries lithium‑ion, éclipsant le marché d’avant 2015.

Source: Statista

La révolution de l’électrification est désormais en plein essor, même si les constructeurs traditionnels et les petites startups peinent à effectuer la transition, étant pour l’instant dépassés par les constructeurs chinois agressifs qui ont une avance dans la technologie des véhicules électriques.

Les batteries lithium‑ion contribuent même à stabiliser le réseau électrique, qui dépend de plus en plus des énergies renouvelables intermittentes. Cependant, il s’agit d’une catégorie où le lithium‑ion n’est peut‑être pas la meilleure chimie disponible, comme nous l’avons abordé dans « The Future Of Energy Storage – Utility-Scale Batteries Tech ».

Faire progresser la technologie des batteries

Un problème lié à la demande explosive de batteries lithium‑ion provenant des véhicules électriques est qu’elle a également provoqué une explosion de la demande des métaux qu’elles contiennent.

Cela a entraîné une volatilité extrême des prix du lithium, l’industrie minière du lithium traversant des cycles rapides de sous‑ et sur‑production.

Source: Carbon Credits

D’autres métaux, comme le cobalt, pourraient être encore plus problématiques, leur production de masse étant liée au travail des enfants et à l’esclavage ainsi qu’à d’autres violations des droits humains.

Pour ces raisons, déjà en 1996, John Goodenough a identifié le lithium‑fer‑phosphate (LFP) comme une alternative sans cobalt (« LiFePO4 : un nouveau matériau de cathode pour batteries rechargeables »).

Le LFP s’est avéré une alternative plus durable et moins chère aux batteries lithium‑ion classiques, bien qu’avec une densité énergétique moindre. En 2022, les batteries LFP représentaient 31 % du marché des batteries de véhicules électriques. Elles sont également couramment utilisées dans le stockage d’énergie domestique.

D’autres alternatives arrivent sur le marché, notamment les batteries sodium‑ion (se passant complètement du lithium et utilisant à la place du sel moins cher) et les batteries à état solide.

Source: Nature

Vous pouvez lire un aperçu de la technologie des batteries orientées mobilité dans « The Future of Mobility – Battery Tech ».

Cela inclut les batteries en verre, le dernier concept de batterie sur lequel le Dr Goodenough a travaillé avant son décès en 2023, avec des affirmations étonnantes telles qu’une densité énergétique deux fois supérieure à celle des batteries lithium‑ion conventionnelles, la possibilité d’être rechargées 23 000 fois, ainsi qu’un temps de charge de quelques minutes seulement.

Investir dans la technologie des batteries

Les batteries lithium‑ion ont déjà changé le monde à plusieurs reprises, en permettant aux gens de transporter des appareils électroniques avancés partout et en alimentant les voitures uniquement à l’électricité. Elles pourraient encore le faire, ou d’autres types de batteries, en permettant un réseau électrique 100 % renouvelable ou l’électrification des avions lorsqu’une densité énergétique suffisante sera atteinte.

Vous pouvez investir dans des entreprises liées aux batteries via de nombreux courtiers, et vous pouvez trouver ici, sur securities.io, nos recommandations des meilleurs courtiers aux États‑Unis, au Canada, en Australie, au Royaume‑Uni, ainsi que dans de nombreux autres pays.

Si vous n’êtes pas intéressé par la sélection d’entreprises spécifiques dans le secteur des batteries, vous pouvez également vous tourner vers des ETF biotech tels que Amplify Lithium & Battery Technology ETF (BATT), le Lithium & Battery Tech ETF (LIT) de Global X, ou le WisdomTree Battery Solutions UCITS ETF, qui offrent une exposition plus diversifiée pour profiter de la croissance de l’industrie des batteries.

Entreprises de batteries

1. CATL (300750.SZ)

CATL est le leader mondial de la fabrication de batteries, produisant plus de la moitié du volume mondial de batteries.

L’entreprise est présente à chaque étape de la chaîne d’approvisionnement de la fabrication de batteries et est un leader en technologie de batteries.

Cela est vrai pour les batteries lithium‑ion, où l’entreprise est depuis longtemps un leader bien établi.

CATL a également annoncé des progrès impressionnants sur plusieurs autres types de batteries :

• Une batterie ultra‑longue durée de 12 000 cycles pour le stockage d’énergie à l’échelle des services publics, avec 18 000 cycles comme objectif à long terme.
• Une batterie LFP (Lithium Fer Phosphate) de 700 km rechargeant 400 km d’autonomie en 10 minutes.
• Une densité énergétique de 500 Wh/kg, permettant potentiellement l’électrification des avions de ligne
• Production de masse de batteries sodium‑ion de 160 Wh/kg, avec un objectif de 200 Wh/kg.

Source: CATL

Plus récemment, il a été annoncé qu’elle avait essentiellement résolu le problème des dendrites se formant avec le lithium métal comme anode, grâce à une structure 3D bloquant leur formation.

L’entreprise s’active sur le marché des batteries à l’échelle des services publics avec l’annonce des performances de son système TENER. Il s’agit du « premier système de stockage d’énergie massivement produisible au monde avec zéro dégradation pendant les cinq premières années d’utilisation à Pékin, Chine ».

Énergie immense dans un espace compact : conteneur de 20 pieds avec une capacité de 6,25 MWh.

Propulsée par des technologies de pointe et des capacités de fabrication extrêmes, CATL a résolu les défis posés par les métaux lithium hautement actifs dans les batteries à zéro dégradation, ce qui aide efficacement à prévenir les risques de surchauffe causés par les réactions d’oxydation.

CATL has also invested 3.25B in battery recycling capacities in China. CATL a notamment atteint un taux de récupération remarquable de 99,6 % pour le nickel, le cobalt, le manganèse, et de 91 % pour le lithium.

Grâce à son ampleur, son focus et ses réalisations en R&D, CATL est susceptible d’être à la pointe de l’innovation, de la fabrication et du recyclage des batteries. Cela en fait un partenaire clé pour les constructeurs de véhicules électriques, dont Tesla, NIO, Ford, Stellantis, etc.

2. BYD (BYDDY)

Concurrent de longue date de Tesla sur le marché des véhicules électriques, BYD est devenu un concurrent sérieux non seulement pour Tesla mais pour pratiquement tous les constructeurs automobiles.

L’entreprise a évolué depuis ses débuts en tant que fournisseur de batteries lithium‑ion pour téléphones pour vendre presque autant de véhicules électriques que Tesla en Chine (le plus grand marché mondial de VE) et être le VE le plus vendu en Thaïlande, Suède, Australie, Nouvelle‑Zélande, Singapour, Israël et Brésil.

BYD représente une grande partie de la raison pour laquelle la Chine est soudainement devenue le plus grand exportateur de voitures du monde en 2023, dépassant le Japon. L’expansion agressive de l’entreprise à l’étranger s’appuie également sur de nouvelles usines, comme en Hongrie.

Et avec le lancement de voitures à 10 000–12 000 $ comme le Seagul, utilisant des batteries sodium, un tout nouveau marché pourrait s’ouvrir pour les VE de BYD.

Source: By User3204 – Own work, CC BY-SA 4.0,

Toujours un fabricant de batteries à la base, BYD est un concurrent sérieux de CATL sur le marché des batteries LFP (lithium fer phosphate), avec une part de marché de 41,1 % en Chine (comparée aux 33,9 % de CATL).

Le « déluge » de VE bon marché produits par BYD sur les marchés européens et américains sera probablement confronté à un certain niveau de protectionnisme (même au-delà des tarifs récemment imposés), ce qui pourrait freiner la croissance de BYD.

Mais en même temps, les VE chinois bon marché connaissent déjà un grand succès dans le reste du monde, qui ne possède pas beaucoup d’acteurs nationaux à protéger, y compris l’ensemble de l’Amérique du Sud, la Russie, l’Afrique, le Moyen‑Orient et l’Asie du Sud‑Est.

Cela représente plusieurs milliards de clients potentiels pour BYD, vivant dans des pays désireux de maintenir un équilibre géopolitique et de rester en bons termes à la fois avec l’Occident et la Chine, il est donc peu probable que cela crée des barrières protectionnistes trop fortes.

Et même dans l’UE ou aux États‑Unis, BYD pourrait rester compétitif, grâce aux prix beaucoup plus élevés des constructeurs locaux de VE comparés aux prix en Chine, ainsi qu’à la localisation de la production hors de Chine pour ces marchés, par exemple en Europe de l’Est, au Mexique ou en Turquie.