Amélioration des performances de batteries Li-ion par irradiation des électrodes
Publié par Redbran le 10/01/2019 à 14:00
Une large collaboration de chercheurs a mis au point une nouvelle méthode permettant d'améliorer la capacité de stockage et de réduire le coût de production des batteries lithium-ion. La technologie proposée est basée sur l'irradiation des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.), de façon similaire à ce qui se fait par exemple dans les industries de traitement des aliments, des médicaments et des eaux usées.


Formation de la SEI ("Solid-electrolyte interphase") sur un matériau carboné sous l'action de l'irradiation (En physique nucléaire, l'irradiation désigne l'action d'exposer (volontairement ou accidentellement) un organisme, une substance, d'un corps à un flux de rayonnements ionisants : rayons alpha,...) de l'électrolyte.

Combattre le changement climatique mondial en passant à des sources d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) durables nécessite des solutions de stockage d'énergie améliorées. Les batteries lithium-ion (Les accumulateurs à base de lithium utilisent des technologie en cours de mise au point, présentant un très important potentiel électrochimique. On distingue la technologie Lithium métal où...) peuvent combler certains besoins de stockage, mais des améliorations en termes de coûts et de performances sont indispensables. De nouvelles recherches sur l'utilisation du prétraitement par irradiation des matériaux d'électrodes donnent des résultats intéressants pour la production de ces batteries de plus grande capacité et à moindre coût.

Les batteries lithium-ion reposent sur le transport (Le transport est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre, le plus souvent en utilisant des véhicules et des voies de communications (la route, le canal ..). Par assimilation, des actions de...) d'ions lithium (Le lithium est un élément chimique, de symbole Li et de numéro atomique 3.) entre les électrodes lors des cycles de charge/décharge. Ce transport se fait au sein d'un électrolyte à base de solvants organiques. Au potentiel de travail des électrodes, ces électrolytes actuellement utilisés ne sont pas stables et se décomposent pour former une couche de passivation à la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique,...) appelée "interphase entre l'électrolyte et la surface" (SEI: abréviation en anglais pour "Solid-electrolyte interphase"). Cette SEI est composée de nombreuses espèces chimiques, dont certaines incorporent des ions lithium, ce qui réduit la capacité de stockage d'énergie de la batterie. Une SEI bien formée est cruciale pour les performances et la sécurité de la batterie, car sans elle, la décomposition (En biologie, la décomposition est le processus par lequel des corps organisés, qu'ils soient d'origine animale ou végétale dès l'instant qu'ils sont...) continue de l'électrolyte conduirait à une défaillance du dispositif et à une rupture potentielle à la suite de la formation d'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) explosif (Un explosif est un composé chimique défini ou un mélange de corps susceptibles lors de leur transformation, de dégager en un temps très court, un grand volume de...) et de gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume propre : un gaz tend...) corrosifs comme HF.


Images par microscopie électronique à transmission des nanoparticules exposées à l'électrolyte a) non irradiées ; b) après irradiation à une dose de 55 kGy (1 Gy = 1 J/kg) et c) après une irradiation à une dose de 93 kGy. d) est un zoom de la partie encadrée en bleu (Bleu (de l'ancien haut-allemand « blao » = brillant) est une des trois couleurs primaires. Sa longueur d'onde est comprise approximativement entre 446 et 520 nm. Elle varie en luminosité du cyan...) dans c). Les parties encadrées en rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait usage.) montrent la présence d'agglomérats de produits de dégradation.

En raison de l'importance de cette étape de formation, les producteurs de batteries appliquent des protocoles sur les cellules avant leur distribution, ce qui peut prendre des jours (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son début (par rapport à minuit...), voire des semaines. Outre la perte de capacité initiale, ces protocoles de formation confèrent au produit final des coûts énergétiques et de production importants. Un procédé passivant les matériaux d'anode (L'anode est l'électrode où a lieu une réaction électrochimique d'oxydation (menant à la production d'électrons) par opposition à la cathode où se produit une réaction électrochimique de réduction (menant à la...) avant la fabrication des cellules pourraient ainsi fournir des cellules plus sûres, avec une capacité accrue et des coûts de production réduits.

Cette nouvelle étude montre l'intérêt de l'utilisation de la chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage des espaces...) du rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) pour former la SEI sur la surface des matériaux anodiques avant de les incorporer dans une batterie (voir figure ci-dessus). Dans le cas présent, des nanoparticules de carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.) amorphe ont été utilisées. Le matériau est en effet représentatif des anodes à base de carbone utilisées dans l'industrie. En outre, la présence de nanoparticules permet d'augmenter le rapport surface/volume et donc, de mieux mettre en évidence les phénomènes ayant lieu sur les surfaces. La formation d'agglomérats sur la surface des nanoparticules a été observée par microscopie électronique à transmission (figure ci-contre). La quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur...) de ces agglomérats croît avec la dose d'irradiation. La nature chimique de ces agglomérats a également été étudiée par spectroscopie photoélectronique par rayons X. Les résultats ont mis en évidence que les composés formés sur la surface des nanoparticules de carbone sont les mêmes que ceux obtenus lors de la formation traditionnelle par voie électrochimique de la SEI dans les batteries.

Fondamentalement, la technique utilise les rayonnements gamma qui excitent l'électrolyte en présence de matériaux d'anode, au point (Graphie) qu'une SEI se forme spontanément (Figures 1-2). Le premier cycle de charge/décharge réalisé pour l'échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou d'une solution. Le mot est utilisé dans différents domaines :) de référence (en noir), et pour deux échantillons irradiés à des doses croissantes (en bleu et rouge, respectivement), est représenté sur la Figure 3. Le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) limite de 60 heures (L'heure est une unité de mesure  :) est atteint pour l'échantillon de référence et celui irradié à 92 kGy (1 Gy = 1 J.kg-1), alors que l'échantillon irradié à 202 kGy atteint la valeur de potentiel égale à 0 V. Lors de la formation de la SEI, qui a principalement lieu sur le plateau entre 0,6 et 0,8V, l'échantillon le plus irradié est celui qui présente la plus faible consommation de courant total ( Total est la qualité de ce qui est complet, sans exception. D'un point de vue comptable, un total est le résultat d'une addition, c'est-à-dire une somme. Exemple : "Le total des dettes". En physique le total n'est pas...). Le matériau de référence (non irradié) consomme le plus de courant lors de la formation de la SEI.

Par ailleurs, ces résultats montrent, à partir des courants spécifiques intégrés de lithiation et de délithiation, une amélioration de 170 % de l'efficacité coulombique du premier cycle entre les matériaux irradiés et les matériaux de contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) (Figure 3). L'irradiation préalable des matériaux d'anode conduit donc à une amélioration des performances de la batterie et à une possible réduction des coûts de fabrication.

Des travaux sur l'influence de la nature du matériau d'électrode, de la présence d'additifs sur la SEI créée par chimie sous rayonnement... sont actuellement en cours. Ces travaux ont été publiés dans la revue Sustainable Energy & Fuels le 17 juillet 2018.


Premier cycle de charge-décharge (cyclage galvanostatique) réalisé à courant constant entre 0 et 3V pour l'échantillon de référence (en noir) et deux échantillons irradiés à des doses croissantes: 92 kGy (1 Gy = 1 J/kg), en rouge, et 202 kGy, en bleu.

Références publication:
Ex situ solid electrolyte interphase synthesis via radiolysis of Li-ion battery anode–electrolyte system for improved coulombic efficiency,
F. Varenne, J. P. Alper, F. Miserque, C. S. Bongu, A. Boulineau, J.-F. Martin, V. Dauvois, A. Demarque, M. Bouhier, F. Boismain, S. Franger, N. Herlin-Boime, S. Le Caër, Sustainable Energy Fuels 2 (2018) 2100 .

Contacts chercheuses CEA IRAMIS:
- Sophie Le Caër NIMBE/LIONS
- Nathalie Herlin-Boime NIMBE/LEDNA.


Collaborations:

- NIMBE, UMR 3685 CEA - CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français...), Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux...) Paris-Saclay, CEA Saclay 91191 Gif-sur-Yvette Cedex
- Service de Corrosion et d'étude du Comportement des Matériaux dans leur Environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux écologiques actuels, le...), CEA/DEN/SCCME, Université Paris-Saclay 91191 Gif-sur-Yvette Cedex
- Équipe de Recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique,...) et Innovation en Électrochimie pour l'Énergie - ICMMO, UMR 8182, CNRS Université Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la Seine, au centre du bassin parisien,...) Sud (Le sud est un point cardinal, opposé au nord.) / Université Paris-Saclay 91405 Orsay Cedex
- CEA/LITEN/DEHT/STB/LM 38054 Grenoble Cedex 9
CEA/DEN/DANS/DPC/SECR/LRMO 91191 Gif-sur-Yvette Cedex
- Laboratoire de Chimie-Physique - ELYSE, UMR 8000 CNRS/UPS Université Paris Sud, 91405 Orsay Cedex

Source: CEA-LITEN
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