Il est rare que les scientifiques à l'origine de développements importants soient autant sous les feux de la rampe que leurs inventions. Mais il est encore plus rare que l'un de ces scientifiques ait un lien avec notre voisinage immédiat et soit impliqué de manière déterminante dans l'un des thèmes qui ont acquis une grande importance pour IBU-tec : John Bannister Goodenough a apporté des contributions décisives au développement des batteries lithium-ion, il est lauréat du prix Nobel, aura 100 ans le 25 juillet et est né à Iéna !
"J'aime à penser que cela fait partie de mon héritage d'avoir contribué au mariage de la physique et de la chimie : Pas tout seul, bien sûr. Nous nous dirigeons inévitablement et inexorablement vers l'interdisciplinarité entre la physique et la chimie des matériaux".
– John B. Goodenough
Un prix Nobel à un âge avancé
"Comment les inventeurs de la batterie lithium-ion ont changé le monde" – c'est ainsi que le prix Nobel de chimie a été décerné en 2019 à John B. Goodenough, Michael Whittingham et Akira Yoshino - miroir du développement progressif et systématique de la technologie des batteries.
Cette année, l'un d'entre eux a une occasion particulière à célébrer. Goodenough fêtera son 100e anniversaire le 25 juillet ! À 97 ans, il a été la personne la plus âgée à recevoir un prix Nobel et il est le titulaire le plus âgé encore en vie.
Enfance en Europe et aux États-Unis
Ses liens avec la Thuringe et Iéna remontent à loin. Dans les années 1920, son père faisait de la recherche à l'université d'Oxford et profitait de longues vacances d'été dans la République de Weimar. C'est lors de ces vacances que John Bannister Goodenough est né à Iéna. Il a cependant grandi dans des conditions confortables à Oxford et plus tard aux États-Unis, après le retour de la famille et de ses trois enfants en 1928. Goodenough a vécu une enfance plus libre et plus proche de la nature qu'on ne l'imagine encore 100 ans plus tard – explorant les prés et les forêts sans surveillance avec son chien Mack. À cette époque, son père enseignait à l'université de Yale, où John obtiendra plus tard sa licence en mathématiques - summa cum laude, soit dit en passant.
Goodenough – Un parcours en période de troubles
Il a obtenu son diplôme à temps pour servir comme météorologue pendant la Seconde Guerre mondiale à partir de 1943, avec quelques implications intéressantes dans des événements qui allaient devenir l'histoire mondiale. A la fin de la guerre, il a ressenti l'appel du retour à la science. Un de ses anciens professeurs lui a permis d'aller étudier la physique à l'université de Chicago, puisque Goodenough pensait que les sciences seraient d'une importance fondamentale pour le 20e siècle - et que la physique était l'une des bases fondamentales de toutes les sciences. Cependant, lorsqu'il s'est inscrit aux premiers cours, un professeur lui a fait remarquer : "Je ne vous comprends pas, vous les vétérans. Ne savez-vous pas que tous ceux qui ont fait quelque chose d'important en physique l'avaient déjà fait quand ils avaient votre âge ?" Néanmoins, Goodenough avait un réel sens de la physique.
Après avoir obtenu son doctorat en 1952, il a rejoint le Lincoln Laboratory du MIT, où il a travaillé sur un système de mémoire pour le premier système de défense aérienne informatisé – SAGE. Goodenough est devenu un acteur clé dans le développement de la première mémoire vive (RAM), indispensable à tous les ordinateurs actuels.
Les recherches de Goodenough sur les batteries lithium-ion
Les États-Unis, en revanche, ne devaient pas être le lieu des travaux sur la base desquels on se souvient aujourd'hui de lui. À l'âge de 53 ans, comme son père avant lui, il a quitté les États-Unis pour l'Angleterre afin d'enseigner et de faire de la recherche en tant que professeur et directeur du laboratoire de chimie inorganique à l'université d'Oxford à partir de 1976.
C'est là que Goodenough a tourné son attention vers le domaine en plein essor de la chimie des piles. En se basant sur la conception de base de la pile inventée par Whittingham, il a développé une nouvelle cathode qui a considérablement stabilisé la structure et amélioré la capacité. En combinaison avec une anode développée par Yoshino, on obtint ainsi une batterie puissante et sûre qui pouvait être rechargée des centaines de fois.
Pendant cette période, Goodenough a dirigé un groupe multidisciplinaire qui cherchait à combiner l'intuition de la physique avec la méticulosité de la chimie et le pragmatisme des ingénieurs. Ensemble, ils ont commencé à explorer d'autres matériaux afin d'améliorer toujours plus la capacité et la sécurité des batteries. Pour ce faire, ils ont étudié des cathodes avec une structure cristalline de type spinelle. Dans les cathodes au cobalt normales, les atomes sont disposés en couches, de sorte que les ions de lithium qui y sont stockés ne peuvent se déplacer que le long de ces couches. Dans un spinelle, ce mouvement peut se faire en trois dimensions, ce qui permet de multiplier les voies par lesquelles les ions peuvent entrer dans l'électrode – la charge et la décharge sont plus rapides.
Un an plus tard, en 1982, le laboratoire de Goodenough a mis au point une cathode à spinelle de manganèse révolutionnaire, encore moins chère et encore plus sûre que son oxyde de cobalt d'origine. Mais Goodenough s'est dit qu'il devait y avoir quelque chose de mieux ! Petit à petit, il a évalué systématiquement différents métaux de transition : Cobalt, manganèse, vanadium, ... Finalement, une combinaison de fer et de phosphore a donné naissance à une structure olivine prometteuse : le phosphate de fer et de lithium. Le lithium est extrait et remis en réserve lors de l'apparition de potentiels - un résultat sensationnel pour Goodenough.
C'est la troisième fois que le laboratoire de Goodenough fabrique une cathode lithium-ion pionnière avec des possibilités commerciales ; avec de l'oxyde de cobalt, avec du spinelle de manganèse et maintenant avec du phosphate de fer.
Aujourd'hui, les variations de Goodenough sur la conception de la cathode sont omniprésentes : les batteries avec une cathode lithium-oxyde de manganèse sont utilisées dans de nombreuses voitures électriques. Sa cathode au lithium-phosphate de fer se retrouve dans de nombreux outils électriques modernes ou dans des systèmes de stockage d'énergie stationnaires et des véhicules électriques.
"J'ai appris à être ouvert aux surprises", a déclaré un jour Goodenough à l'University of Chicago Magazine, et à "ne pas avoir d'idées préconçues ou à se fermer à ce qui pourrait fonctionner".
Title picture: © Nobel Media. Photo: A. Mahmoud
Bottom picture: Photo courtesy of The University of Texas at Austin