L'atome de lithium est l'un des atomes les plus légers de la table périodique. Ses propriétés le rendent mûr pour générer de l'énergie en combinaison avec d'autres éléments. Ce mélange de légèreté et de potentiel énergétique est la clé de son rôle de prédilection dans la chimie des batteries du XXIe siècle.
Considérez maintenant les véhicules électriques d’aujourd’hui, alimentés par des cellules lithium-ion qui ont été améliorées, de manière incrémentielle, depuis des décennies. Le problème c’est que sur un véhicule électrique, les batteries lithium-ion restent la partie la plus lourde. Tout ce poids supplémentaire limite le potentiel de performance du véhicule. En revanche, sur le papier, la promesse de batteries au lithium-oxygène n’est pas du tout incrémentielle. C’est un bond en avant dans la quantité d’énergie produite par une batterie par rapport à son poids. En théorie, le lithium-oxygène peut être utilisé pour une batterie plus légère capable d’aller beaucoup plus loin avec une seule charge.
Une densité énergétique accrue
Les batteries lithium-ion d’aujourd’hui ont une densité énergétique spécifique 3 fois supérieure à celle des anciennes cellules au plomb
Une densité énergétique démultipliée
Les batteries au lithium-oxygène plus légères ont potentiellement une densité énergétique spécifique 5 à 15 fois supérieure à celle des cellules lithium-ion d’aujourd’hui
Pour l’industrie chimique, transformer cette théorie en un produit commercialisable pourrait créer un centre de profit florissant pour les décennies à venir, avec des applications dans tous les domaines, des appareils mobiles aux voitures en passant par de nouveaux modes de transport encore à imaginer. C’est l’une des raisons pour lesquelles Jamie Garcia, directrice principale des algorithmes, applications et théories quantiques chez IBM, et son équipe de chimistes quantiques ont consacré beaucoup de temps à des conférences vidéo avec leurs collègues spécialisées dans la recherche de Mitsubishi Chemical au Japon.
L’équipe IBM Quantum a été approchée par Qi Gao de Mitsubishi Chemical et le professeur Naoki Yamamoto de l’Université Keio pour modéliser et étudier le mécanisme complexe de réarrangement du superoxyde de lithium, une étape chimique clé dans les batteries lithium-oxygène. Leur collaboration constitue le travail préparatoire pour la simulation et, éventuellement, l’étude d’un problème lié à une application réelle sur un ordinateur quantique.
C’est une tâche impossible à réaliser efficacement, même sur les supercalculateurs les plus puissants d’aujourd’hui. Pour l’équipe de recherche et développement de Mitsubishi Chemical, la modélisation d’une réaction électrochimique aussi complexe sur un ordinateur classique s’est révélée extrêmement difficile. En collaborant avec les équipes d’IBM et d’IBM Q Hub de l’Université de Keio, Mitsubishi Chemical étudie comment utiliser des ordinateurs quantiques pour créer des simulations précises de ce qui se passe dans une réaction chimique au niveau moléculaire.
La plupart des chimistes qui ont fait des études comparatives traditionnelles comprennent que des heures, des mois voire des années peuvent être consacrés à essayer de comprendre comment la chimie agit à l’intérieur d’une fiole et de pouvoir la contrôler. L’informatique quantique promet d’accélérer tout cela.
Mitsubishi Chemical voit la valeur de cette promesse. Leader mondial dans la synthèse de matériaux innovants, la société est au service de dizaines d’industries (automobile, aérospatiale, médicale, production d’électricité, infrastructures de transport, bâtiment et construction) qui ont toutes besoin d’outils beaucoup plus performants pour relever les défis les plus urgents.
Pour répondre aux divers besoins de nombreuses industries, Mitsubishi Chemical effectue par définition des travaux de recherche et développement approfondis. Comme beaucoup d’autres membres du réseau IBM Quantum, elle consacre des budgets à la simulation moléculaire et investit dans les moyens que l’informatique quantique peut apporter. Au niveau de l’entreprise, cela peut mener à des collaborations transcontinentales, en l’occurrence entre les équipes de recherche pluridisciplinaires de Mitsubishi Chemical, de l’Université Keio de Tokyo et d’IBM.
« Si vous considérez les plus grands problèmes non résolus au monde, ce sont des défis qui existent depuis des décennies, » explique Jamie Garcia, directrice principale des algorithmes, applications et théories quantiques chez IBM. « C’est parce que nous avons utilisé les mêmes outils, mais nous avons atteint un plateau en ce qui concerne ce que nous pouvons réellement accomplir. La promesse de l’informatique quantique change la donne. Finalement, c’est ce qui va transformer les industries, révolutionner les industries. C'est un nouvel outil. »
Le triumvirat de recherche composé de Mitsubishi Chemical, de l’Université Keio et d’IBM Quantum s’efforce de mieux comprendre le potentiel du lithium-oxygène en tant que source d’énergie en utilisant de nouveaux algorithmes qui tirent parti de l’informatique quantique.
L’exécution d’une nouvelle génération d’algorithmes, dans le tout nouvel environnement matériel et logiciel de la recherche quantique, a permis d'obtenir des résultats de calcul quantitativement corrects de réactions chimiques complexes liées au processus de décharge d'une batterie lithium-oxygène. En outre, en examinant les fondamentaux moléculaires sous un nouvel angle, les chercheurs tentent également d’obtenir de nouvelles connaissances et d’observer des phénomènes qui ne sont généralement pas considérés comme connus ou attendus.
« En explorant des parties spécifiques de ces réactions à l’aide d’ordinateurs quantiques, avec autant de détails et de profondeur, vous pouvez obtenir ces petits moments d'émerveillement », explique Jamie Garcia d’IBM. « Il existe donc de nombreuses raisons pour lesquelles l’utilisation de ces systèmes quantiques appliqués à la chimie est très logique. Il y a toujours quelque chose de nouveau à trouver, et une nouvelle question qui se pose.
La mission de Mitsubishi Chemical(lien externe à ibm.com) est de créer des solutions innovantes dans le monde entier, basées sur nos valeurs fondamentales de durabilité, de santé et de confort, dans le but d’assurer le bien-être des personnes, de la société et de notre planète.
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