Comprendre les performances des batteries Li-ion, anticiper leur dégradation, allonger leur durée de vie et assurer la sécurité des utilisateurs sont autant de défis à relever. Pour cela, les ingénieurs cherchent à mesurer en temps réel des paramètres critiques comme la température, la pression ou le potentiel électrochimique et à observer les réactions chimiques. Ils peuvent au choix intégrer des capteurs internes à la cellule électrochimique ou bien sonder tout le système à l'aide des rayons X.
Dans le cadre des projets européens BIGMAP et INSTABAT, des chercheurs du CEA-Irig et du CEA-Liten ont uni leurs compétences respectives en matière d'analyse par rayons X et de capteurs pour déterminer, à l'aide de rayons X, l'impact potentiel de capteurs internes sur le fonctionnement d'une batterie.
Les chercheurs ont équipé une cellule commerciale Li-ion avec deux capteurs : une fibre optique pour contrôler la température et une électrode de référence pour les mesures des potentiels électriques. Ils ont ensuite observé pendant quatre jours son fonctionnement avec différents cycles de courant – notamment la lithiation et la délithiation de l'électrode en graphite – sur une ligne du synchrotron européen ESRF (European Synchrotron Research Facility), à Grenoble. Le traitement des données acquises en temps réel a ensuite nécessité un an de travail.
Observer à l'échelle atomique et cartographier des composants
« Les techniques de scan aux rayons X connaissent un essor notable car il est important de connaître à l'échelle atomique l'évolution des matériaux dans les batteries, tout en cartographiant les structures dans toute l'épaisseur de leurs composants », explique Sandrine Lyonnard, chercheuse au CEA-Irig.
Résultat : la fibre optique ralentit la lithiation locale sans affecter les performances globales, très probablement en raison de l'encombrement de la fibre qui déforme l'empilement des couches de l'électrode. Cependant, il reste à étudier les effets à long terme. « Jamais une cellule Li-ion instrumentée avec des capteurs internes n'avait été observée en fonctionnement avec un tel niveau de précision », souligne Olivier Raccurt, physicien au CEA-Liten
À l'avenir, ces mesures pourraient être réalisées en 3D grâce à la tomographie en rayons X, ce qui pourrait aider les industriels à mieux surveiller, contrôler ou réparer les batteries.
Cette collaboration inclut également l'Institut de chimie de l'Université de Tartu (Estonie), ainsi que l'Institut Néel et le Laboratoire électrochimie et physicochimie des matériaux et des interfaces de Grenoble.