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Jean-Marie Tarascon, virtuose de l’énergie
« Je voulais être agriculteur, et j’étais passionné par le rugby. » Jean-Marie Tarascon1, 69 ans, sera finalement chimiste de haut vol (et grand amateur de foot). C’est en partie à lui et à ses équipes que l’on doit les remarquables performances des batteries de nos ordinateurs, de nos téléphones portables et de nos véhicules électriques. Cosignataire d’une centaine de brevets, auteur de plus de sept cents papiers scientifiques, il est aussi lauréat d’une vingtaine de prix prestigieux auxquels s’ajoute désormais la médaille d’or du CNRS 2022. Cette récompense ainsi qu’une dotation de 50 000 euros de la part de la Fondation CNRS lui seront remises le 19 décembre lors d’une cérémonie à Paris.
De la campagne française au rêve américain
Adolescent à Marmande, dans le Lot-et-Garonne, Jean-Marie Tarascon envisage pourtant son avenir dans les champs, comme son père. Les études ne l’intéressent guère. La terre, plutôt que n’importe quel cursus. Mais il a cinq frères, et tous ne peuvent pas succéder au père à la tête de l’exploitation familiale. « Il fallait bien que je trouve quelque chose à faire… relate-t-il avec un vif accent du sud-ouest dont il ne s’est jamais départi. Au lycée, j’étais plutôt bon en physique chimie, sans être encore captivé par la discipline. Alors post-bac, j’ai intégré l’école de chimie de Bordeaux. Là, je suis tombé sur un prof passionnant qui nous expliquait comment fonctionnent les machines qui nous entourent. J’ai tout de suite trouvé ça fascinant et pour la première fois, je suis allé à la bibliothèque me documenter par moi-même pendant des heures. » La graine est plantée, elle va pousser avec vigueur.
À l’école de chimie, Jean-Marie rencontre Régine, celle qui deviendra son épouse, et se pique de chimie des solides. Il en fera son sujet de thèse à l’université de Bordeaux, avant d’exporter son talent et la passion qui l’anime de l’autre côté de l’Atlantique : pour son postdoc, il est accueilli par la prestigieuse université de Cornell. « Je n’étais quasiment jamais sorti de ma région, je n’avais jamais encore mis les pieds à Paris, alors quand je débarque, c’est un peu un choc : je me sens perdu, il fait un temps misérable… »
Mais Jean-Marie Tarascon découvre vite le bon côté de l’exil : « Faire de la recherche aux États-Unis à l’époque, c’était extraordinaire. Tout autour de soi, on pouvait sentir la passion, l’émulation… Et là-bas, je me sentais aussi totalement libre de faire mes expériences à ma façon et quand bon me semblait… » À l’issue du postdoc, le rêve américain continue puisqu’il est immédiatement recruté par Bell Labs2.
Nous sommes en 1981. À l’époque, les téléphones portables ne sont encore qu’à l’état de prototype (le premier sera commercialisé par Motorola en 1984), mais déjà les objets portatifs se développent à une vitesse fulgurante. Ainsi que leur indispensable auxiliaire : les batteries. Et dans le domaine, une révolution vient d’avoir lieu : celle des accumulateurs ion-lithium, à l’efficacité redoutable (lire encadré plus bas). « Bell Lab, c’était l’endroit au monde où l’on pouvait croiser le plus de Prix Nobel au mètre carré, et ils étaient tous très accessibles… toutes les conditions étaient réunies pour devenir un bon chercheur », se souvient-il.
Il ne tarde pas à en faire la preuve. Dans ce temple de la tech, où il a carte blanche pour notamment explorer les propriétés des matériaux afin d’améliorer encore l’efficacité des batteries ion-lithium, il fait une véritable percée en parvenant à remplacer la cathode à base de cobalt par une cathode à base de manganèse. Plus vertueux que ne l’est le cobalt, dont l’extraction constitue une catastrophe éthique et écologique, le manganèse est également plus performant. C’est d’ailleurs de cette technologie que le constructeur Renault a doté ses premières voitures ZOE.
La carrière du jeune chercheur débute à peine et pourtant, il cosigne déjà une demi-douzaine de brevets en même temps qu’il se fait un nom dans la communauté. Du fait de la loi antitrust sur le point d’être votée aux États-Unis, le système Bell doit être scindé en plusieurs sociétés distinctes. Ses employeurs promettent à Jean-Marie une embauche dans l’une de ces nouvelles entités, Bellcore, mais le contrat n’arrive pas. « Comme je suis du genre à forcer le destin, j’ai passé plusieurs entretiens d’embauche chez la concurrence, et rapidement obtenu une promesse alléchante au MIT. Je l’ai immédiatement montrée aux dirigeants de Bellcore, qui m’ont signé le contrat attendu sur-le-champ. » Pas question de lâcher la pépite française.
Dans cette nouvelle maison – dont le credo est “Do what you want, but be number one” –, le chercheur délaisse un temps les batteries pour le sujet alors en vogue et qu’il connaît bien pour l’avoir traité lors de son postdoctorat : la supraconductivité3.
Un esprit fédérateur pour des avancées majeures
Mais un tremblement de terre va le faire revenir dare-dare à son sujet fétiche. Le sens n’est en rien figuré : en 1989, un séisme de magnitude 6,9 secoue la Californie. « Or, la série de batteries – alors au plomb – mise en place pour fournir de l’électricité pendant huit heures en cas de black out et que nous avions la charge d’étudier afin de les améliorer, s’essouffle au bout d’une heure seulement, se souvient-il. Pointé du doigt pour ce couac, Bellcore nous a laissé le choix : partir ou se remettre en selle sur les batteries, avec à la clé, si possible, une avancée majeure dans le domaine. »
Il suffisait de demander. Dans la recherche et l’industrie des batteries ion-lithium, Jean-Marie Tarascon, désormais père d’un petit garçon, va provoquer une nouvelle percée, fort d’une « vision ». « Je me lance toujours dans l’expérimentation avant de savoir comment ça va marcher, à l’intuition ». À mesure qu’il évoque ses faits d’armes depuis le début de l’entretien, ses nombreux sourires d’espiègle gamin éclairent son visage brun. « J’estime, poursuit-il, qu’un chercheur ne doit pas se résumer à une bible de connaissances, mais qu’il doit plutôt remettre en cause les dogmes, s’évertuer à penser un peu différemment de ce qui se fait. »
Ce qui se fait à l’époque, ce sont des batteries de forme cylindrique, donc difficiles à miniaturiser et à loger dans n’importe quel appareil. Pour y remédier, il a l’idée de concevoir des accumulateurs plats et flexibles, et pour ce faire, d’utiliser une matrice plastique pour accueillir tous les éléments actifs de la batterie et y piéger l’électrolyte liquide.
« Pour que ce genre d’idées de rupture fonctionne, il faut la partager avec le plus grand nombre afin de susciter l’enthousiasme et de réunir autour de soi des talents. C’est ce que j’ai fait lors de la pause-café d’un séminaire. Je crois que j’ai réussi. » Nouveau sourire facétieux. « En entendant mon idée, Paul Warren, l’inventeur des fils souples des téléphones fixes, alors chef d’un département chez Bellcore, a carrément quitté sa position pour rejoindre mon équipe. » Sage décision.
Après quatre années de tests, les premières batteries flexibles plates sont prêtes, et présentées au public en grande pompe lors d’une conférence de presse en 1994. C’est grâce à cette technologie, protégée par 25 brevets, que des batteries ion-lithium peuvent aujourd’hui équiper certains véhicules électriques et smartphones.
Retour gagnant dans l'Hexagone
« Aux États-Unis, on ne vit jamais sur ses lauriers. Après ce succès, Bellcore m’a bien sûr demandé de rester pour plusieurs années supplémentaires, mais avec l’engagement de faire une nouvelle découverte marquante dans les quatre ans. Pareille pression est certes un puissant moteur d’innovation, mais à la longue, c’est un peu fatigant », raconte le chercheur. En 1995, il envisage de rentrer en France. Mais loin de son Aquitaine natale. Le laboratoire des matériaux d’Amiens cherche son nouveau directeur et pour séduire Jean-Marie Tarascon, lui propose d’emblée de passer professeur de classe exceptionnelle – alors qu’il n’a encore jamais enseigné. Touché par la généreuse proposition, il quitte l’Amérique de tous les possibles et traverse l’Atlantique dans l’autre sens.
En Picardie, il recrute sa nouvelle équipe, à qui il révèle son tempérament, forgé au fil de ses quinze années américaines. « C’est un expérimentateur, quelqu’un qui entend mettre lui-même les mains dans le cambouis, quitte à dormir au laboratoire pour surveiller une manip, décrit Mathieu Morcrette, aujourd’hui directeur du laboratoire picard4, avec qui il a longtemps travaillé. Emmené par Jean-Marie Tarascon à une époque où les consciences s’éveillent au développement durable, le groupe mène des travaux pionniers notamment sur des composés de batteries fabriqués à partir de la biomasse, par exemple l’acide phytique, issu du maïs.
Dans l’Hexagone, le chercheur affiche aussi son esprit fédérateur, sa volonté de rassembler forces et talents pour propulser la recherche en avant. Dès son arrivée, Il met en place une unité de prototypage, où les chercheurs de tous laboratoires peuvent venir tester le potentiel de leur produit, sans être tributaires des entreprises.
S’il se heurte à la lourdeur du système administratif, essuie une salve de critiques, il parvient malgré tout à imposer son idée et crée aussi dans la foulée Alistore, le réseau de recherche européen sur les batteries, encore en activité aujourd’hui. Poussé par la même volonté de ralliement, il tente ensuite de créer un réseau français de stockage de l’énergie. Mais la pesanteur administrative à laquelle il fait face est encore plus décourageante, de sorte qu’il envisage sérieusement un retour aux États-Unis. Pour y obtenir un poste prestigieux, il n’a qu’à décrocher son téléphone.
« En 2010, l’université de Santa Barbara m’avait fait une belle offre que j’avais acceptée, et je devais commencer le 1er avril, se souvient-il. Mais le 29 mars, l’un de mes collègues au ministère, Ronan Stephan, apprend que je pars et en alerte immédiatement Valérie Pécresse, alors ministre de la Recherche. Le lendemain, je recevais une lettre d’engagement de sa part, me promettant de financer 40 postdocs pour créer le fameux réseau français dont je rêvais. Le jour suivant, le président du CNRS Alain Fuchs m’a reçu dans son bureau pour m’assurer qu’il soutenait à 100 % mon projet ». Jean-Marie Tarascon est donc resté de ce côté-ci de l’Atlantique et le réseau RS2E a vu le jour : il rassemble aujourd’hui dix-sept laboratoires universitaires et autant d’industriels.
Un engagement pour des batteries plus vertueuses
Durant toutes ces années passées à fédérer sa discipline, jamais il n’a délaissé la recherche ni cessé de remettre en cause les paradigmes. Peu après son arrivée au Collège de France en 2014, il a ainsi mis en lumière un tout nouveau mécanisme : l’anionique redox. « Il s’agit d’exploiter l’activité électrochimique de l’oxygène et non plus seulement du cobalt (ou du manganèse) afin de dégager plus d’électrons et donc de produire plus d’énergie, ce qui peut permettre en théorie de doubler les performances des batteries ! explique-t-il. Je crois que c’est la découverte dont je suis le plus fier. »
Avec ses collègues, il signe aussi la conception de batteries ion-sodium, un élément des milliers de fois plus abondant sur Terre que ne l’est le lithium. « Les batteries au sodium, c’est l’avenir ! » D’ailleurs le chinois CATL, plus grand producteur de batteries au monde, ne s’y est pas trompé : il a massivement investi dans cette technologie.
En 2018, avec ses partenaires du RS2E, Jean-Marie Tarascon crée d’ailleurs Tiamat, une société spécialisée dans le sodium-ion : « On ne peut plus continuer l’extraction massive du lithium et du cobalt (dont on se sert pour fabriquer les batteries ions-lithium) qui pose des problèmes éthiques et environnementaux. Il faut absolument se tourner vers des matériaux plus vertueux, dont le manganèse et le sodium », insiste-t-il. L’autre piste que suit Jean-Marie Tarascon pour réduire l’impact négatif des batteries, c’est de prolonger leur durée de vie. « C’est mon dada ! commente-t-il dans un immense sourire, ses yeux noirs pétillant sous d’épais sourcils. C’est un enjeu considérable : les batteries vont devenir de plus en plus indispensables à notre quotidien. Or, à mesure qu’elles se chargent et se déchargent, elles s’usent. Malheureusement, il est impossible de poser un diagnostic sur leurs défaillances : ce sont des boîtes noires inaccessibles. ».
Fortement inspiré par la médecine, notre lauréat s’évertue donc à concevoir des batteries intelligentes dotées de capteurs en fibres optiques permettant de mesurer en direct leurs propriétés. Deux étages au-dessus de son bureau d’ailleurs, trois doctorants de son équipe sont en train de « prendre le pouls » d’une batterie, comme on surveille les signes vitaux d’un humain. Et de conclure : « Avec cette technologie qui doit encore mûrir, on espère dans un premier temps optimiser la durée de vie des batteries, puis la doubler. À terme, nous souhaitons être capables de réparer in situ leurs moindres bobos dans l’objectif de les faire tenir très longtemps et ainsi de préserver les ressources de la planète… » Pour quelqu’un qui vient de la terre, voilà qui est cohérent. ♦
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Une batterie, comment ça marche ?
Une batterie, ou un accumulateur, est un dispositif qui permet de produire et de stocker de l’électricité grâce à la chimie. Elle est constituée de deux électrodes de charge différente : d’un côté l’anode, de l’autre, la cathode, toutes deux baignant dans une solution conductrice, le plus souvent liquide, appelée électrolyte. Dans les batteries modernes, anode et cathode sont empilées comme un mille-feuille enroulé sur lui-même, le tout immergé dans l’électrolyte. Le principe de fonctionnement est basé sur le potentiel électrochimique des matériaux utilisés, c’est-à-dire sur leur propension à perdre des électrons (on dit alors que le matériau est oxydé) ou à en gagner (on dit dans ce cas qu’il est réduit). Les scientifiques parlent donc de potentiel d’oxydoréduction (ou redox) des matériaux.
Voilà ce qu’il se produit lorsque vous utilisez votre batterie : l’anode perd des électrons, qui sont guidés via un circuit électrique jusqu’à la cathode, qui les capte. Puisque certains des atomes de l’anode ont perdu un électron, et sont devenus des ions, l’équilibre de charge de cette dernière est rompu. Pour le rétablir, les ions+ sont largués à leur tour et cheminent vers la cathode à l’intérieur de la batterie, via l’électrolyte. Quand tous les ions+ ont été captés par la cathode, la batterie est déchargée. Lorsque vous la rechargez, les électrons et les ions font le chemin inverse dans le dispositif. Plus le potentiel redox des matériaux utilisés dans la batterie est grand, plus cette dernière pourra accumuler de l’énergie et donc en stocker.
Au fil du temps, les scientifiques ont donc testé plusieurs matériaux à la recherche du meilleur compromis masse/performance, afin de construire des batteries à la fois légères et performantes. Le lithium, doté d’une forte propension à larguer des électrons, s’est rapidement imposé comme un matériau de choix pour l’anode. Il a d’abord été associé pur à divers métaux pour la cathode et divers mélanges aqueux pour l’électrolyte. Mais en fonction des combinaisons, des problèmes de sécurité et de performance se sont posés. Une combinaison a révolutionné nos vies en augmentant considérablement la capacité de stockage et la rapidité de charge : les batteries lithium ion. Dans ces accumulateurs, l’anode est composée de graphite, la cathode est quant à elle un oxyde de cobalt et l’électrolyte, contenant un sel de lithium, est dépourvue d’eau (dont les réactions chimiques occasionnaient des déperditions d’énergie). Pour la mise au point de cette technologie de rupture, John B. Goodenough, Stanley Whittingham et Akira Yoshino ont reçu le prix Nobel de Chimie en 2019. ♦
- 1. Laboratoire Chimie du solide et de l'énergie (CNRS/Collège de France/Sorbonne Université).
- 2. AT&T Bell Laboratories, plus connu sous le nom de Bell Labs.
- 3. Un matériau refroidi à très basse température acquiert la capacité de conduire parfaitement un courant électrique, sans résistance, et donc sans perte d’énergie, on dit alors qu’il est supraconducteur.
- 4. Aujourd’hui intitulé : Laboratoire de réactivité et chimie des solides (CNRS/Université de Picardie Jules Verne).
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