Les chercheurs zooment sur l’usure des batteries

Dès la première utilisation, une nouvelle batterie lithium-ion se dégrade. Après quelques centaines de cycles de charge, vous remarquerez que la batterie de votre téléphone, ordinateur portable ou voiture électrique s'use plus rapidement. Finalement, il cesse de détenir une charge.

Des chercheurs de la Pritzker School of Molecular Engineering (PME) de l'Université de Chicago ont utilisé une combinaison de microscopie électronique à haute puissance et de modélisation informatique pour comprendre, au niveau atomique, exactement ce qui se produit lorsque les batteries lithium-ion se dégradent.

Leurs recherches suggèrent une approche pour concevoir des batteries lithium-ion plus durables en se concentrant sur un composant structurel souvent ignoré, le domaine du liant carbone (CBD).

"Pour relever de nombreux défis mondiaux en matière de stockage et de conversion d'énergie au cours des décennies à venir, nous devons continuer à innover et à améliorer les batteries", a déclaré le professeur Y. Shirley Meng, qui a dirigé la recherche publiée dans la revue Joule. « Ce travail constitue une étape vers une technologie de batterie plus efficace et plus durable. »

La commercialisation généralisée des batteries lithium-ion à la fin du XXe siècle a joué un rôle dans l’avènement de l’électronique légère et rechargeable. Le lithium est le métal le plus léger et possède un rapport densité énergétique/poids élevé. Lorsqu'une batterie lithium-ion est chargée, les ions lithium passent d'une cathode chargée positivement à une anode chargée négativement. Pour libérer de l’énergie, ces ions retournent de l’anode vers la cathode.

Tout au long des cycles de charge, les matériaux actifs de la cathode et de l'anode se dilatent et se contractent, accumulant des « fissures de particules » et d'autres dommages physiques. Au fil du temps, les batteries lithium-ion fonctionnent moins bien.

Les chercheurs ont déjà caractérisé la fissuration et la dégradation des particules qui se produisent dans les petites et fines électrodes des batteries lithium-ion. Cependant, des électrodes plus épaisses et plus denses en énergie sont actuellement développées pour des batteries plus grosses destinées à des applications telles que les voitures électriques, les camions et les avions.

"La cinétique d'une électrode épaisse est très différente de celle d'une électrode mince", a déclaré le scientifique du projet Minghao Zhang de l'Université de Californie à San Diego, co-premier auteur du nouvel article. "La dégradation est en réalité bien pire dans les électrodes plus épaisses et à plus haute énergie, ce qui a été un combat pour le champ."

Il est également plus difficile d'étudier quantitativement les électrodes épaisses, a souligné Zhang. Les outils qui fonctionnaient auparavant pour étudier les électrodes minces ne peuvent pas capturer les structures de matériaux plus grands et plus denses.

Dans le nouveau travail, Meng, Zhang et les collaborateurs de Thermo Fisher Scientific se sont tournés vers la microscopie électronique à balayage par faisceau d'ions focalisée sur plasma (PFIB-SEM) pour visualiser les changements qui se produisent à l'intérieur d'une cathode épaisse de batterie lithium-ion. PFIB-SEM utilise des rayons focalisés chargés d'ions et d'électrons pour assembler une image ultra haute résolution de la structure tridimensionnelle d'un matériau.

Les chercheurs ont utilisé l’approche d’imagerie pour collecter des données sur une cathode toute neuve ainsi que sur une cathode chargée et épuisée 15 fois. Avec les données des expériences de microscopie électronique, l’équipe a construit des modèles informatiques illustrant le processus de dégradation des batteries.

"Cette combinaison de données expérimentales de résolution nanométrique et de modélisation nous a permis de déterminer comment la cathode se dégrade", a déclaré Mehdi Chouchane, chercheur postdoctoral au PME, co-premier auteur de l'article. « Sans la modélisation, il aurait été très difficile de prouver ce qui se passait. »

Les chercheurs ont découvert que les variations entre les zones de la batterie favorisaient de nombreux changements structurels. La corrosion électrolytique se produisait plus fréquemment avec une fine couche à la surface de la cathode. Cette couche supérieure a donc développé une couche résistive plus épaisse, ce qui a conduit la couche inférieure à se dilater et à se contracter davantage que les autres parties de la cathode, entraînant une dégradation plus rapide.

Le modèle a également souligné l’importance du CBD – une grille poreuse de fluoropolymères et d’atomes de carbone qui maintient ensemble les matériaux actifs d’une électrode et aide à conduire l’électricité à travers la batterie. Les recherches précédentes n'ont pas caractérisé la manière dont le CBD se dégrade lors de l'utilisation de la batterie, mais les nouveaux travaux suggèrent que l'affaiblissement des contacts entre le CBD et les matériaux actifs de la cathode est directement lié à la baisse des performances des batteries lithium-ion au fil du temps.