Batteries Li-ion: le vieillissement des accumulateurs étudié grâce à la chimie sous rayonnements ionisants

Publié par Adrien le 27/04/2015 à 12:00
Source: CEA
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CEA
Une collaboration entre des équipes du CEA, du CNRS et de l'Université Paris-Sud , vient de montrer que les outils de la chimie sous rayonnement permettent d'étudier le vieillissement des électrolytes d'accumulateurs lithium-ion (Les accumulateurs à base de lithium utilisent des technologie en cours de mise au point,...). En particulier, il est possible de provoquer un vieillissement (La notion de vieillissement décrit une ou plusieurs modifications fonctionnelles diminuant...) accéléré des électrolytes dans le but de faciliter les études sur leur durée de vie. Ces travaux sont publiés dans Nature Communications le 24 avril 2015. Au-delà, la technique pourrait aussi apporter une compréhension plus fine des mécanismes chimiques à l'oeuvre dans les accumulateurs dans le but d'en d'améliorer la durée et la sécurité d'utilisation.

Au fil de l'utilisation d'une batterie d'accumulateurs, l'électrolyte, qui permet le transport des ions assurant le stockage de l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) sous forme chimique, se dégrade. Cela limite la durée d'utilisation de l'appareil. L'électrolyte est donc un composant clé pour des batteries sûres, fiables et performantes, dans les applications nomades (téléphonie), l'automobile (Une automobile, ou voiture, est un véhicule terrestre se propulsant lui-même à l'aide d'un...) (batteries de puissance) ou des installations de réseau électrique (Un réseau électrique est un ensemble d'infrastructures permettant d'acheminer...) (a). En particulier dans l'industrie automobile, les véhicules hybrides et électriques nécessitent un système de stockage de l'énergie réversible particulièrement performant du fait de la puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) mise en jeu et du grand nombre de cycles de charge-décharge.

Les scientifiques étudient donc par différents moyens les processus chimiques qui dégradent l'électrolyte lors de son vieillissement. Or, les études de vieillissement par cycles répétés de charge-décharge sont longues et coûteuses.

Des études plus rapides

Une collaboration CEA-CNRS-Université Paris-Sud s'est intéressée plus particulièrement aux batteries lithium-ion omniprésentes dans les systèmes électroniques portables, les véhicules (vélos, automobiles, ...) ou la gestion des réseaux d'énergie à source intermittente (b).

"Pour accélérer le vieillissement, nous avons soumis des électrolytes à des rayonnements ionisants en utilisant les outils de la "chimie sous rayonnement" ou radiolyse", explique Sophie Le Caër (chercheur CNRS au laboratoire NIMBE), qui a dirigé l'étude. Le grand avantage de la radiolyse est de faire vieillir l'électrolyte de façon contrôlée, en quelques minutes ou quelques heures, alors qu'en utilisant des cycles de charge-décharge électrique de la batterie, il faut des semaines, voire des mois pour obtenir les mêmes effets. "Nous avons soumis du diéthylcarbonate, solvant représentatif de ceux utilisés dans les électrolytes d'accumulateurs lithium-ion, à une irradiation (En physique nucléaire, l'irradiation désigne l'action d'exposer (volontairement ou...), poursuit Sophie Le Caër. Et nous avons observé la formation des mêmes molécules qu'après électrolyse (Dans l'industrie chimique, l'électrolyse est une méthode de séparation d'éléments ou de...)". L'électrolyte comprend en effet un sel dans un solvant ou un mélange de solvants. La chimie sous rayonnement permet également d'étudier spécifiquement le solvant avec et sans le sel, et donc de comprendre en détails la réactivité de chaque partie du système.

Suivre pas à pas la dynamique de dégradation de l'électrolyte

Au-delà de cette démonstration (En mathématiques, une démonstration permet d'établir une proposition à partir...) publiée dans Nature Communications, la radiolyse, couplée à des techniques de chimie analytique (La chimie analytique est la partie de la chimie qui concerne l'analyse des produits,...) performantes, permet de mettre en évidence la formation de molécules, même minoritaires. "Nous pouvons ainsi comprendre finement le système et mettre en évidence des mécanismes qui contribuent in fine à la diminution de la durée de vie de la batterie, souligne Sophie Le Caër. Par ailleurs, des études d'évolution du système en fonction temps sont possibles, et vont permettre de suivre le système sur des échelles de temps très larges, depuis la picoseconde, échelle de la réaction chimique (Une réaction chimique est une transformation de la matière au cours de laquelle les...) locale, jusqu'à la journée (soit sur 17 ordres de grandeur !) L'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection...) de ces travaux ouvre ainsi la voie à des expériences de criblage par chimie sous rayonnement qui permettront de trouver les meilleurs électrolytes pour les accumulateurs du futur."

Notes:

Cet accélérateur linéaire d'électrons, à Saclay, est l'un des outils utilisés pour accélérer le vieillissement des électrolytes présents dans les accumulateurs par irradiation. Il permet notamment de générer un vieillissement important du système en quelques dizaines de minutes. Les espèces chimiques qui se forment sont ensuite analysées par chromatographie en phase gazeuse et spectrométrie de masse (La spectrométrie de masse (mass spectrometry ou MS) est une technique physique d'analyse...). Les chercheurs utilisent aussi des irradiateurs munis de sources radioactives au Césium 137 (Le césium 137, noté 137Cs, est l'un des 39 isotopes connus du césium...). (Crédit CEA)
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