Des recherches récentes remettent en question la croyance de longue date selon laquelle les accumulations de film sur les électrodes des batteries rechargeables sont la principale cause de dégradation des performances. Au lieu de cela, il a été découvert que ces accumulations sont des effets secondaires.
Les chercheurs révèlent la cause profonde de la panne des batteries rechargeables.
Pendant des décennies, les scientifiques ont supposé que l’inévitable accumulation de film sur les électrodes à l’intérieur des batteries rechargeables était à l’origine de la perte de performances. Maintenant, nous savons que cette vision est rétrospective.
L’accumulation de dépôts de lithium métallique moussus ou arborescents sur les électrodes de la batterie n’est pas la cause première de la perte de performance, mais plutôt un effet secondaire. La première mesure directe des propriétés électriques à la frontière entre l’électrode solide et l’électrolyte liquide à l’intérieur d’une batterie rechargeable est rapportée aujourd’hui (28 septembre) dans la revue Énergie naturelle.
L’étude, menée par une équipe de recherche du Laboratoire national du nord-ouest du Pacifique (PNNL) du ministère de l’Énergie, montre que ce que l’on appelle l’interphase à électrolyte solide (SEI) n’est pas un isolant électronique, comme on le pensait auparavant, mais se comporte plutôt comme un semi-conducteur. La recherche résout le mystère de longue date du fonctionnement électrique du SEI pendant le fonctionnement sur batterie.
Yaobin Xu, chercheur en batteries, insère un échantillon dans un microscope électronique à transmission pour examiner le fonctionnement d’une batterie rechargeable. Crédit : Photo par Andrea Starr | Laboratoire national du nord-ouest du Pacifique
Les résultats ont des implications directes pour la conception de batteries plus durables en ajustant les propriétés physiques et électrochimiques de l’électrolyte liquide, souvent appelé apport sanguin d’une batterie en fonctionnement.
« Un taux de conductance électrique plus élevé induit un SEI plus épais avec des formes solides complexes de lithium, conduisant finalement à des performances de batterie inférieures », a déclaré Chongmin Wang, chercheur au laboratoire PNNL et expert en technologie des batteries qui a codirigé l’étude.
Une batterie de taille micro bouleverse les hypothèses sur le fonctionnement des batteries rechargeables
Les chercheurs se concentrent sur cette couche SEI, qui est plus fine qu’une feuille de papier de soie, en raison de son rôle démesuré dans les performances de la batterie. Cette mosaïque filmeuse permet sélectivement aux ions lithium chargés de se traverser pendant la décharge et contrôle le mouvement des électrons qui alimentent la batterie.
Lorsque les batteries sont neuves, le SEI se forme lors du premier cycle de charge et reste idéalement stable pendant la durée de vie prévue de la batterie. Mais un examen à l’intérieur d’une batterie rechargeable vieillissante révèle souvent une accumulation importante de lithium solide sur les électrodes négatives. Les chercheurs en batteries ont supposé que cette accumulation entraînait des pertes de performances. Cette incertitude s’explique en partie par l’incapacité d’effectuer des mesures permettant de tester les causes et les effets.
La microscopie électronique à transmission in situ permet aux chercheurs d’observer directement comment les matériaux d’une batterie évoluent à l’échelle atomique et nanométrique, fournissant ainsi un aperçu du fonctionnement de la batterie rechargeable. Crédit : Photo par Andrea Starr | Laboratoire national du nord-ouest du Pacifique
Wang, avec le co-responsable de l’étude Wu Xu, un scientifique des matériaux du groupe des matériaux et systèmes de batterie du PNNL, les co-premiers auteurs Yaobin Xu et Hao Jia, et leurs collègues du PNNL, de l’Université Texas A&M et du Lawrence Berkeley National Laboratory, ont résolu résoudre ce problème en développant une nouvelle technique pour mesurer directement la conduction électrique à travers le SEI dans un système expérimental. L’équipe a combiné la microscopie électronique à transmission avec à l’échelle nanométrique manipulation d’aiguilles métalliques microfabriquées à l’intérieur du microscope. Les chercheurs ont ensuite mesuré les propriétés électriques de la couche SEI formée sur un métal de cuivre ou de lithium avec quatre types d’électrolytes différents.
Les mesures du groupe ont révélé qu’à mesure que la tension augmente dans la batterie, la couche SEI perd dans tous les cas des électrons, la rendant semi-conductrice.
Les résultats suggèrent que des molécules contenant du carbone fuient des électrons, réduisant ainsi la durée de vie de la batterie
Une fois qu’ils ont enregistré ce comportement de type semi-conducteur, qui n’avait jamais été directement observé auparavant, ils ont voulu comprendre quels composants du SEI chimiquement complexe sont responsables de la fuite d’électrons.
« Nous avons constaté que les composants organiques contenant du carbone de la couche SEI sont sujets aux fuites d’électrons », a déclaré Xu.
Les chercheurs ont conclu que la réduction des composants organiques du SEI permettrait aux batteries d’avoir une durée de vie utile plus longue.
« Même de légères variations du taux de conduction à travers le SEI peuvent entraîner des différences spectaculaires en termes d’efficacité et de stabilité du cycle de batterie », a ajouté Wang.
Les chercheurs du PNNL Peiyuan Gao, Xia Cao, Phung ML Le, Mark H. Engelhard, Shuang Li et Ji-Guang Zhang ont également contribué à la recherche. La recherche a été parrainée par l’Office des technologies des véhicules du Bureau de l’efficacité énergétique et des énergies renouvelables du DOE dans le cadre du programme de recherche sur les matériaux avancés pour batteries et de la coopération américano-allemande sur le stockage de l’énergie. Des travaux d’imagerie et d’analyse électrique ont été menés au Laboratoire des sciences moléculaires de l’environnement, une installation nationale d’utilisateurs scientifiques parrainée par le Bureau de recherche biologique et environnementale du DOE et située au PNNL. Certains travaux de caractérisation ont été réalisés à la fonderie moléculaire, située au Laboratoire national Lawrence Berkeley et soutenus par le Bureau des sciences du DOE, Bureau des sciences énergétiques fondamentales.
