La calorimétrie isothermique pour mieux comprendre les batteries
Publié par Adrien le 03/07/2019 à 08:00
Source: CNRS INC
Comment augmenter l'autonomie des batteries ? En s'intéressant au phénomène de redox anionique, réaction d'oxydo-réduction additionnelle du processus cationique "classique" des batteries Li-ions, ouvrant théoriquement la voie à une augmentation de 20 % de l'autonomie des batteries. Un travail mené par une équipe du Réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit rets »,...) sur le stockage électrochimique de l'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.) (RS2E) et publié dans la revue Nature Energy.


En haut, schéma de la redox cationique (une étape) ; En bas, schéma de la redox anionique (multi-étape)
© Gaurav Assat et al. 2019

Le processus de redox anionique, phénomène d'oxydation-réduction additionnel au redox cationique "classique", est prometteur pour les batteries mais s'accompagne malheureusement d'une "hystérésis (Soit une grandeur cause notée C produisant une grandeur effet notée E. On dit qu'il y a hystéresis lorsque la courbe E = f(C) obtenue à la croissance de C ne se...) de tension (La tension est une force d'extension.)" (différence importante de tension entre charge/décharge): une partie de l'énergie du système est perdue par dissipation de chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent : Quelle chaleur !). En plus de la perte d'énergie, cette dissipation pose un problème de sécurité. Dans une batterie en fonctionnement, elle provoque une surchauffe (La surchauffe est une opération physique qui a lieu dans un moteur à vapeur.) et peut être responsable d'un emballement thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et des transferts de chaleur suivant...). Les mécanismes et conditions thermochimiques de cette hystérésis sont mal connus. Une équipe du RS2E, menée par le Prof. Jean-Marie Tarascon (Chimie du solide et de l'énergie, CNRS/Collège de France/Sorbonne Université), s'est penchée sur ces questions grâce à une technique peu utilisée: la calorimétrie (La calorimétrie est la partie de la thermodynamique qui a pour objet la mesure des quantités de chaleur. On utilise pour cela un calorimètre. Celui-ci peut fonctionner soit à...) isothermique.

Cette technique permet d'analyser le comportement thermique de systèmes de stockage, en sondant les variations d'énergie et de désordre atomique au coeur des batteries (enthalpie et entropie). Cela permet d'en déduire les mécanismes ayant lieu au niveau de la cathode (La cathode est une électrode siège d'une réduction, que l'on qualifie alors de réduction cathodique. Elle correspond à la borne positive (+) dans une pile électrique qui débite et à la borne...) lors de sa charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un bénéfice non pécuniaire pour être...) et de sa décharge. Étudiant un matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée en...) modèle nommé LRSO, les scientifiques ont montré que l'oxydation/réduction électrochimique des anions est immédiatement suivie d'un réarrangement de la structure pour la stabiliser. Les dissipations de chaleur sont dues à ces réarrangements et à l'entropie (En thermodynamique, l'entropie est une fonction d'état introduite au milieu du XIXe siècle par Rudolf Clausius dans le cadre du second principe, d'après les travaux de Carnot[1]. Clausius a montré que le rapport Q/T...) qu'ils produisent car le mécanisme est thermodynamiquement hors équilibre.

Cette compréhension fondamentale (En musique, le mot fondamentale peut renvoyer à plusieurs sens.) des mécanismes devrait permettre, à terme, à une 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, la recherche scientifique désigne également...) appliquée de développer de nouvelles approches pour atténuer l'hystérésis de tension, minimiser la génération de chaleur dans les matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) et donc approcher une efficacité énergétique (En physique et ingénierie mécanique, l'efficacité énergétique (ou efficacité thermodynamique) est un nombre sans dimension,...) de 100 %.

Les auteurs de l'article espèrent d'autre part que leur nouvelle méthode de caractérisation des batteries encouragera la communauté des électrochimistes à s'approprier la calorimétrie isothermique pour l'étude d'autres systèmes.

Références

Gaurav Assat, Stephen L. Glazier, Charles Delacourt, Jean-Marie Tarascon.
Probing the thermal effects of voltage hysteresis in anionic redox-based lithium-rich cathodes using isothermal calorimetry
Nature Energy - Juillet 2019
DOI: 10.1038/s41560-019-0410-6
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