Une technologie pour "voir" dans les batteries commerciales

Publié par Adrien le 14/11/2022 à 13:00
Source: CNRS
Une équipe de recherche multidisciplinaire impliquant des scientifiques du Collège de France, du CNRS, de l'Université Rennes 1 et de l'Université de Montpellier a mis au point une méthode pour suivre l'évolution de la chimie à l'intérieur d'une batterie, en direct, et tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) au long de ses multiples charges et décharges. Présentée dans Nature Energy le 7 novembre 2022, cette technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) ouvre la voie pour améliorer les performances et la conception des futures batteries.

Les batteries offrent la capacité de stocker de l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) sous forme chimique: lors de la charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement...), le courant force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un...) des réactions chimiques et l'énergie se stocke, puis lors de la décharge une réaction électrochimique spontanée engendre le déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles...) inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de...) des électrons dans le système. L'énergie est libérée pour créer un courant électrique (Un courant électrique est un déplacement d'ensemble de porteurs de charge...).


Schéma de la propagation de la lumière infrarouge (Le rayonnement infrarouge (IR) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde...) à travers le coeur d'une fibre optique (Une fibre optique est un fil en verre ou en plastique très fin qui a la propriété de...) en verre (Le verre, dans le langage courant, désigne un matériau ou un alliage dur, fragile...) de composition: Te2As3Se5 (TAS). À la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...) de la fibre (Une fibre est une formation élémentaire, végétale ou animale, d'aspect filamenteux, se...), une onde évanescente (Les ondes évanescentes apparaissent de façon générale comme des solutions possibles des...) est créée et peut interagir avec les molécules environnantes. La fibre (Une fibre est une formation élémentaire, végétale ou animale, d'aspect filamenteux, se...) TAS est passée à travers un vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.) au centre d'une batterie de type 18650. Les liaisons chimiques correspondant à l'électrolyte peuvent ainsi être observés lors de son utilisation.
© Gervillié-Mouravieff et al./Collège de France

Contrôler et étudier la chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à...) d'une batterie est donc crucial pour comprendre son fonctionnement, mais aussi améliorer sa conception. Si l'exercice est aisé en laboratoire, il l'est beaucoup moins lorsqu'elle est intégrée dans un système. Mais une équipe de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) multidisciplinaire dirigée par des scientifiques du laboratoire Chimie du solide et de l'énergie (CNRS/Collège de France/Sorbonne Université) vient de mettre au point (Graphie) une méthode pour suivre l'évolution de la chimie d'une batterie commerciale, en direct, au cours de sa charge ou de sa décharge.

La technologie, présentée dans un article publié dans Nature, repose sur le transport (Le transport est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre, le plus...) de la lumière infrarouge dans des fibres optiques en verre de chalcogénure placées à travers une batterie. L'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein...) de cette lumière avec les constituants de la batterie permet d'identifier et de suivre les molécules chimiques présentes autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne...) de la fibre.


Batterie traversée par une fibre optique en verre de chalcogénure permettant de transporter de la lumière dans le domaine infrarouge. L'interaction cette lumière avec les constituants de la batterie permet d'identifier et de suivre les molécules chimiques présentes autour de la fibre.
© Frédérique PLAS / CSE / CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand...) Photothèque

Les chercheurs et chercheuses ont ainsi pu observer l'évolution des électrolytes ainsi que l'insertion/extraction des ions sodium-lithium dans les électrodes en fonction de la charge. Et cela alors qu'elle était en cours d'utilisation, une première ! Avec ce système, les scientifiques ont également pu étudier l'interface (Une interface est une zone, réelle ou virtuelle qui sépare deux éléments. L’interface...) entre l'électrolyte et le matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne...) d'électrode négative appelée Solid electrolyte interphase (SEI). Cette couche à la fois conductrice d'ions et isolante des électrons détermine la longévité (La longévité d'un être vivant est la durée de vie pour laquelle il est...) des batteries. L'équipe a notamment pu suivre in situ la nature des espèces chimiques participant à la nucléation et à la croissance de la SEI qui se met en place lors de la toute première charge d'une batterie.

D'un point de vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et...) pratique, ces résultats ouvrent la voie vers une conception facilitée et améliorée des batteries. Actuellement, l'optimisation des électrolytes et protocoles tests de charge est longue pour trouver la meilleure option pour une SEI idéale, et ainsi améliorer la longévité d'une batterie. Avec cette nouvelle méthode inédite, il est possible de voir rapidement et précisément comment chaque élément de la recette évolue, interagit avec les autres et influence les performances de la batterie. L'équipe de recherche poursuit ses travaux en se concentrant sur la SEI et espère pouvoir révéler tous ses secrets.

Bibliographie:
Unlocking cell chemistry evolution with in-operando fiber optic IR spectroscopy in commercial Na(Li)-ion batteries.
Charlotte Gervillié-Mouravieff, Catherine Boussard-Plédel, J. Huang, Cédric Leau, L. Albero Blanquer, Mouna Ben Yahia, Marie-Liesse. Doublet, S. T. Boles, Xianghua H. Zhang, Jean-Luc Adam et Jean-Marie Tarascon.
Nature Energy, le 7 novembre mois (Le mois (Du lat. mensis «mois», et anciennement au plur. «menstrues») est une période de temps...) 2022. DOI:10.1038/s41560-022-01141-3
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