L’enquête du Laboratoire National d’Argonne sur les « shorts souples » dans les batteries à semi-conducteurs offre des informations et des outils essentiels pour améliorer la fiabilité et la conception des batteries de véhicules électriques, marquant une avancée significative dans la recherche sur les batteries. Crédit : Issues.fr.com
Des chercheurs d’Argonne ont mené une étude approfondie sur les shorts souples, un phénomène qui constitue une première étape vers une défaillance permanente d’une batterie.
Une équipe d’Argonne développant des matériaux pour batteries à semi-conducteurs a fait un détour inattendu pour enquêter sur de minuscules courts-circuits appelés soft-shorts. Leurs connaissances profiteront aux chercheurs sur les batteries du monde entier.
Des chercheurs du Laboratoire national d’Argonne du Département américain de l’énergie (DOE) ont apporté un nouvel éclairage important sur ce à quoi ressemblent les premiers signes de panne de batterie. Leur étude – qui porte sur une condition appelée soft-shorts – fournit à la communauté des chercheurs des connaissances et des méthodes précieuses pour concevoir de meilleures batteries pour véhicules électriques (VE).
Les recherches de l’équipe Argonne se sont concentrées sur les batteries tout solide avec des anodes (électrodes négatives) en lithium métal. Beaucoup considèrent ces appareils comme le « Saint Graal » des technologies de batterie. Pourquoi? Parce que le lithium métal peut stocker une grande quantité de charge dans un petit espace. Cela signifie qu’elle peut permettre des autonomies de véhicules électriques beaucoup plus longues que les batteries lithium-ion traditionnelles fabriquées avec des anodes en graphite.
Cependant, le lithium métal présente des défis opérationnels car il peut être très réactif avec les électrolytes liquides des batteries traditionnelles. Les électrolytes sont des matériaux qui déplacent des particules chargées appelées ions entre les deux électrodes d’une batterie, convertissant ainsi l’énergie stockée en électricité.
Lorsqu’une batterie fonctionnant normalement se décharge, les ions circulent de l’anode à travers l’électrolyte jusqu’à la cathode (électrode positive). Dans le même temps, les électrons circulent de l’anode vers un appareil externe – comme un téléphone ou un moteur de véhicule électrique – puis retournent à la cathode. Le flux d’électrons est ce qui alimente l’appareil. Lorsqu’une batterie est en charge, ces flux sont inversés.
L’utilisation du lithium métal tend à perturber ce processus. Pendant la charge, des filaments de lithium peuvent se développer hors de l’anode et pénétrer dans l’électrolyte. Si ces excroissances deviennent suffisamment grandes et s’étendent jusqu’à la cathode, elles créent un « fil » permanent entre les électrodes. Finalement, tous les électrons de la batterie circulent à travers ce fil d’une électrode à l’autre sans sortir de la batterie pour alimenter un appareil. Ce processus arrête également le flux d’ions entre les électrodes.
« C’est ce qu’on appelle un court-circuit interne », a déclaré Michael Counihan, stagiaire postdoctoral à Argonne et chercheur principal de l’équipe. « La batterie est en panne et les électrons n’alimentent plus votre appareil.
L’installation d’anodes au lithium métallique dans des batteries à semi-conducteurs (en d’autres termes, des batteries à électrolytes solides) peut potentiellement réduire les problèmes liés aux filaments tout en conservant les avantages du lithium.
Un détour inattendu vers le soft-short
L’équipe d’Argonne développait un nouvel électrolyte solide pour les batteries de véhicules électriques et a remarqué un comportement inhabituel.
« Lorsque nous avons utilisé nos batteries en laboratoire, nous avons observé de très petites et très brèves fluctuations de tension », a déclaré Counihan. « Nous avons décidé d’examiner de plus près. »
Les chercheurs ont chargé et déchargé leurs batteries à plusieurs reprises pendant des centaines d’heures, mesurant divers paramètres électriques comme la tension. L’équipe a déterminé que les batteries subissaient des courts-circuits légers, qui sont de minuscules courts-circuits temporaires.
Avec un soft-short, les filaments de lithium se développent de l’anode à la cathode. Mais la quantité de croissance est moindre que dans un court-circuit permanent. Alors que certains électrons restent à l’intérieur de la batterie, d’autres peuvent circuler vers un appareil externe. Le flux d’ions entre les électrodes peut continuer. Tous ces flux peuvent varier considérablement.
L’équipe a travaillé avec des experts en informatique d’Argonne pour développer des modèles qui prédisent la quantité de flux d’ions et d’électrons pendant les courts-circuits. Les modèles tiennent compte de facteurs tels que la taille des filaments de lithium et les propriétés de l’électrolyte.
Les batteries à short souple peuvent continuer à fonctionner pendant des heures, des jours, voire des semaines. Mais comme l’a découvert l’équipe d’Argonne, le nombre de filaments augmente généralement avec le temps et conduit finalement à une panne de batterie.
« Les shorts souples sont le premier pas vers une panne de batterie permanente », a déclaré Counihan.
Comportement dynamique
L’examen plus approfondi de l’équipe a révélé que les shorts souples ont un comportement très dynamique. Ils se forment, disparaissent et se reforment souvent en quelques microsecondes ou millisecondes.
« C’est un point important à retenir pour les chercheurs sur les batteries », a déclaré Counihan. « Avec les tests de batterie typiques en laboratoire, les chercheurs ne peuvent mesurer la tension que toutes les minutes environ. Pendant ce temps, vous auriez pu manquer la formation et la mort de milliers de soft-shorts. Ce sont comme des petits fantômes qui détruisent votre batterie sans que vous le sachiez.
La raison la plus courante pour laquelle les shorts souples disparaissent : la chaleur. Lorsque les électrons traversent les filaments de lithium, de la chaleur est générée, semblable à celle qui peut se produire dans les fils des appareils électroménagers. La chaleur peut rapidement faire fondre les filaments, surtout si l’électrolyte environnant est thermiquement isolant.
Les shorts souples peuvent se dissoudre lorsque les filaments réagissent avec certains électrolytes. Certains des électrolytes solides étudiés par l’équipe d’Argonne peuvent couper de petits filaments avant qu’ils n’atteignent la cathode et provoquer un court-circuit interne.
Aider la communauté des chercheurs
Au cours de son examen approfondi des shorts souples, l’équipe d’Argonne a développé et démontré plusieurs nouvelles méthodes de détection et d’analyse du phénomène. Par exemple, une méthode quantifie la contribution des shorts souples à la résistance d’une batterie au flux de courant. Étant donné que différents composants de la batterie peuvent contribuer à cette résistance, isoler la contribution des shorts souples peut aider les chercheurs à mieux évaluer l’état de leurs batteries.
L’étude, récemment publiée dans la revue Joule, comprend une liste de près de 20 techniques de détection et d’analyse. Environ un tiers de ces méthodes proviennent des recherches récentes de l’équipe. Les auteurs de l’étude ont rassemblé les autres méthodes à partir de connaissances informelles et non publiées de la communauté des chercheurs.
« Nous avons réalisé qu’il n’existe aucun article dans la littérature qui utilise plus de deux de ces techniques », a déclaré Counihan. « Pour rendre la liste plus utile aux chercheurs, nous avons inclus des informations sur les avantages et les inconvénients de chaque méthode. Étant donné que les shorts souples sont si dynamiques, il est bon que les chercheurs disposent de nombreux outils pour mieux comprendre les impacts des shorts souples.
L’équipe souhaitait fournir aux chercheurs du monde entier des informations sur les shorts souples pour éclairer leur travail. Par exemple, les techniques décrites dans l’article peuvent contribuer à faire progresser la conception d’électrolytes solides durs qui freinent la croissance des filaments de lithium.
« Lorsque les chercheurs comprennent la dynamique des shorts souples dans leurs batteries, ils sont mieux équipés pour affiner leurs matériaux afin d’éviter ces voies de défaillance », a déclaré Counihan.
L’équipe a fabriqué ses électrolytes de batterie solides au centre de recherche en génie des matériaux d’Argonne et a évalué les matériaux au Centre d’Argonne pour les matériaux à l’échelle nanométrique, un établissement utilisateur du Bureau des sciences du DOE. Outre Counihan, les autres auteurs de l’étude étaient Kanchan Chavan, Pallab Barai, Devon Powers, Yuepeng Zhang, Venkat Srinivasan et Sanja Tepavcevic. L’étude a été financée par le Bureau des technologies des véhicules de l’Office de l’efficacité énergétique et des énergies renouvelables du DOE.
