Les caractéristiques exceptionnelles des batteries lithium-ion ont transformé notre quotidien comme peu d'autres inventions. Cependant, avec le temps, divers phénomènes réduisent progressivement leur importante capacité de stockage.
À la source de neutrons de recherche Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) de l'Université technique de Munich, le Dr Anatoliy Senyshyn, scientifique en instrumentation pour le diffractomètre de poudre à haute résolution SPODI, a utilisé la diffusion de neutrons pour étudier la cause de ces effets dans les batteries cylindriques au lithium-ion.
Avec d'autres scientifiques, il cherche à répondre à des questions fondamentales sur la structure et le comportement des batteries lithium-ion rechargeables : pourquoi la capacité disponible diminue-t-elle avec le temps ? Comment le lithium est-il réparti dans la batterie ?
Pourquoi utiliser des neutrons pour étudier une batterie rechargeable ?
Observer l’intérieur d’une cellule lithium-ion pendant la charge et la décharge — par exemple, la décomposition de l’électrolyte ou la distribution du lithium — est très difficile depuis l’extérieur en raison de la forte réactivité de ses composants avec l’oxygène et l’humidité de l’air.
Les neutrons sont sensibles aux éléments légers, comme l’hydrogène et le lithium. Ils permettent donc de visualiser le lithium à l’intérieur d’une cellule, rendant possible la recherche en conditions réelles d’utilisation.
Un autre avantage de l’utilisation des neutrons est leur potentiel pour les essais non destructifs. Par exemple, les chercheurs peuvent observer les processus internes de la batterie depuis l’extérieur sans perturber ce système fragile.
Pourquoi la capacité des batteries diminue-t-elle ?
Les cellules lithium-ion produisent de l’électricité lorsque les atomes de lithium libèrent des électrons qui circulent dans un appareil connecté. Simultanément, à l’intérieur de la batterie, un ion lithium se déplace d’une électrode à l’autre ; cela signifie qu’il y a toujours autant d’électrons disponibles que d’ions lithium. Lorsqu’une batterie rechargeable perd de la capacité, on peut dire que le lithium est « perdu ». Mais où va-t-il ?
Des expériences de diffusion de neutrons réalisées sur les instruments STRESS-SPEC et SPODI ont mis en évidence une relation linéaire entre la perte d’ions lithium mobiles et la décomposition de l’électrolyte, qui se produit, par exemple, comme une réaction secondaire indésirable lors de la charge.
Les produits issus de la décomposition de l'électrolyte piègent les atomes de lithium qui ne sont plus disponibles sous forme de lithium mobile pour être échangés entre les deux électrodes. Par conséquent, la batterie perd de sa capacité : elle vieillit.
Comment le lithium est-il réparti ?
Jusqu’à présent, les modèles théoriques, les calculs et les mesures supposaient généralement une répartition uniforme du lithium dans ces batteries. Cependant, les recherches indiquent que le lithium est réparti de manière très hétérogène dès le départ, et que cette hétérogénéité s’accentue avec le temps.
La modélisation des batteries lithium-ion peut être améliorée si les concepteurs tiennent compte de la distribution inégale du lithium. De plus, il est possible d'estimer la capacité de stockage de la cellule lithium-ion en fonction de cette distribution. Ces résultats constituent un fondement important pour la fabrication future de batteries rechargeables plus efficaces, plus durables et plus performantes.
Publications :
Dominik Petz, Martin J. Mühlbauer, Alexander Schökel, Klaus Achterhold, Franz Pfeiffer, Thilo Pirling, Michael Hofmann et Anatoliy Senyshyn.
Hétérogénéité de la lithification du graphite dans les cellules cylindriques lithium-ion les plus modernes.
Piles et Supercaps, 28 octobre 2020 - DOI : 10.1002/batt.202000178
https://chemistry-europe.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/batt.202000178
MJ Mühlbauer, D. Petz, V. Baran, O. Dolotko, M. Hofmann, R. Kostecki, A. Senyshyn.
Distribution non homogène du lithium et de l'électrolyte dans les cellules cylindriques Li-ion vieillies.
Journal of Power Sources, 475 (2020) 228690 - DOI : 10.1016/j.jpowsour.2020.228690
https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2020.228690
Informations complémentaires :
Ces travaux ont été financés par le Heinz Maier-Leibnitz Zentrum (MLZ), la Fondation allemande pour la recherche (DFG), le ministère fédéral allemand de l’Éducation et de la Recherche (BMBF) et le Centre technologique bavarois-californien (BaCaTeC), ainsi que par le département de l’Énergie des États-Unis, dans le cadre de ses activités de recherche sur les matériaux de batteries avancés.
