Bronzes de tungstène et intercalation : comment M. Stanley Whittingham a créé la première batterie au lithium rechargeable

Au début des années 1970, le chimiste M. Stanley Whittingham s'est présenté devant un comité du conseil d'administration d'Exxon à New York afin d'exposer le concept d'intercalation chimique. Né à Nottingham, en Angleterre, le 22 décembre 1941, Whittingham avait consacré la décennie précédente à l'étude du déplacement des ions alcalins à travers des réseaux cristallins solides. Il a expliqué aux dirigeants d'entreprise comment l'insertion d'ions dans des matériaux feuilletés pouvait permettre un stockage d'énergie réversible. Moins d'une semaine après sa présentation, la direction générale d'Exxon a autorisé un vaste programme d'ingénierie pour transformer son idée en une batterie fonctionnelle.

De Stamford et Oxford jusqu'à Stanford

Le parcours de Whittingham débute à la Stamford School, qu'il fréquente à partir de 1960, avant de rejoindre le New College d'Oxford pour y étudier la chimie. Soutenus par l'Air Force Office of Scientific Research des États-Unis, ses travaux de premier cycle étudient la recombinaison des atomes d'oxygène sur des bronzes d'oxyde de tungstène, donnant lieu à sa première publication dans les Transactions of the Faraday Society en 1965. Financée par une bourse du Gas Council, sa thèse de doctorat révèle que la mobilité ionique rapide des ions alcalins dicte les voies de réduction de ces bronzes de tungstène. En 1968, Whittingham rejoint l'université Stanford pour travailler avec Robert Huggins sur le transport ionique rapide dans les matériaux en béta-alumine, recevant à cette occasion le Young Author Award de l'Electrochemical Society.

La percée de l'intercalation chez Exxon

Whittingham rejoint les Corporate Research Laboratories d'Exxon en 1972 dans le cadre d'une initiative explorant les alternatives énergétiques au pétrole. En collaborant avec les scientifiques Fred Gamble et Arthur Thompson, il démontre que l'intercalation chimique permet aux ions lithium d'entrer et de sortir réversiblement des structures d'accueil sans détruire le réseau cristallin. Ce mécanisme devient la base technique du projet de batterie d'Exxon. À la suite de son exposé devant le conseil d'administration, l'entreprise finance un effort de développement à grande échelle. Whittingham dépose des brevets fondamentaux pour cette technologie dès 1973, puis l'équipe publie ses résultats fondateurs sur la batterie au lithium rechargeable dans la revue Science en 1976.

L'institutionnalisation de l'électrochimie du solide

Afin de soutenir le domaine émergent de l'électrochimie du solide, Whittingham cofonde en 1980 la revue Solid State Ionics, publiée par North-Holland en anglais, français et allemand. Il en assure la direction de publication pendant vingt ans. Au cours de son parcours chez Exxon, Whittingham passe de chercheur de laboratoire à chef de groupe, puis directeur du Solid State and Catalytic Sciences Laboratory. Il dirige ensuite la Chemical Engineering Technology Division lors d'une phase de diversification industrielle vers les carburants synthétiques comme l'huile de schiste et la gazéification du charbon, avant de diriger brièvement la recherche en sciences des roches chez Schlumberger.

Direction académique à l'université de Binghamton

En 1988, Whittingham intègre le corps professoral de l'université de Binghamton (Université d'État de New York) pour concevoir des programmes interdisciplinaires en science des matériaux. Directeur fondateur de l'Institute for Materials Research jusqu'en 2018, il dirige le programme de deuxième et troisième cycles en science et ingénierie des matériaux pendant plus de dix ans, tout en exerçant les fonctions de vice-provost chargé de la recherche. Ses travaux bénéficient d'un soutien continu du ministère américain de l'Énergie, aboutissant à la direction d'un Energy Frontier Research Center transféré à Binghamton en 2014. Whittingham rejoint également le consortium Battery500, dont l'objectif est d'atteindre une densité énergétique de 500 wattheures par kilogramme.

Selon le comité du prix Nobel, les premiers travaux de recherche de Whittingham sur l'intercalation chimique ont établi les fondements physiques du stockage d'énergie rechargeable moderne. Son alliance pionnière entre la chimie du solide et ses applications énergétiques lui a valu de partager le prix Nobel de chimie 2019 avec John Goodenough et Akira Yoshino, ancrant ainsi l'alimentation portable contemporaine et les transports électriques dans les principes fondamentaux de la physique du solide.

Image de couverture : illustration générée par IA ; ce n’est pas une photographie documentaire.

Source: Nobel Prize M. Stanley Whittingham