Le chercheur de Canadian Light Source (CLS) Toby Bond utilise les rayons X pour aider à concevoir de puissantes batteries de véhicules électriques avec une durée de vie plus longue. Ses recherches, publiées dans le Journal de la société électrochimique, montre comment les cycles de charge/décharge des batteries causent des dommages physiques conduisant finalement à une réduction du stockage d’énergie. Ce nouveau travail met en évidence un lien entre les fissures qui se forment dans le matériau de la batterie et l’épuisement des liquides vitaux qui transportent la charge.
Bond utilise l’installation BMIT du Canadian Light Source de l’Université de la Saskatchewan pour produire des tomodensitogrammes détaillés de l’intérieur des batteries. Travaillant avec le Dr Jeff Dahn à l’Université Dalhousie, il se spécialise dans les batteries pour véhicules électriques, où l’impératif de recherche est d’emballer autant d’énergie que possible dans un appareil léger.
« Un gros inconvénient à emballer plus d’énergie est que généralement, plus vous emballez d’énergie, plus la batterie se dégradera rapidement », explique Bond.
Dans les batteries lithium-ion, cela est dû au fait que la charge force physiquement les ions lithium entre les autres atomes du matériau d’électrode, les écartant. L’ajout de plus de charge entraîne une plus grande croissance des matériaux, qui se rétractent lorsque les ions lithium partent. Au cours de nombreux cycles de croissance et de rétrécissement, des microfissures commencent à se former dans le matériau, réduisant lentement sa capacité à retenir une charge.
« Cela peut éventuellement provoquer l’effritement des matériaux de la batterie de l’intérieur vers l’extérieur. Si cela devient suffisamment mauvais, cela peut entraîner le décollement de certaines parties de la batterie à l’intérieur d’elle-même », explique Bond. « Et si cela cause des dommages à grande échelle à l’intérieur de la batterie, cela peut également devenir un problème de sécurité. »
L’étude de ce problème et de l’efficacité des revêtements et autres traitements pour l’arrêter est importante dans le domaine depuis longtemps. Traditionnellement, les fissures qui se forment dans une batterie ont été étudiées en démontant la batterie et en regardant les particules individuelles au microscope électronique. Cela détruit la batterie, donc cela ne permet pas aux chercheurs de préserver la plus grande structure et de voir quels autres effets cette fissuration pourrait avoir sur le reste de la batterie.
En utilisant l’imagerie par rayons X au CLS, Bond dit que les chercheurs peuvent étudier ces effets dans leur contexte et voir comment la fissuration provoque des changements dans le reste de la batterie. Dans cette étude, les chercheurs ont découvert qu’à mesure que les micro-fissures dans la batterie s’aggravaient, les liquides de la cellule étaient aspirés dans l’espace supplémentaire entre les fissures, ce qui ne laissait peut-être pas assez de liquide pour tout le monde.
« C’est la première fois que quelqu’un est capable de capturer tous ces effets qui se produisent ensemble dans une batterie en état de marche », déclare Bond. « Cet épuisement de l’électrolyte liquide peut causer de graves problèmes, car toute partie de la batterie qui ne reçoit pas assez de liquide cesserait essentiellement de fonctionner. »
Dans cette étude, Bond et ses collègues ont étudié des batteries qui avaient été continuellement chargées et déchargées à différents niveaux au fil des ans, ainsi que des batteries par ailleurs identiques qui n’avaient pas du tout été utilisées. Les scans de rayons X 3D qu’ils ont collectés à l’aide de la lumière vive et focalisée de BMIT leur ont permis de voir précisément comment différents matériaux étaient affectés par l’utilisation, à la fois à l’échelle microscopique et dans l’ensemble de la batterie.
Un plat à emporter pratique ? L’équipe a constaté que le fait de vider la batterie d’une petite quantité provoquait moins de détérioration que de la décharger complètement. Cela est probablement dû au fait qu’un plus petit changement de charge entraîne moins de contraintes physiques sur les matériaux des électrodes de la batterie au fil du temps. Cet effet est important à comprendre pour les nouvelles applications telles que le transport long-courrier, les avions électriques et l’utilisation de véhicules électriques en stationnement pour stocker et fournir de l’énergie au réseau électrique. Ces scénarios nécessitent souvent d’utiliser une plus grande partie de la capacité totale de la batterie avant d’être rechargée.
« Alors que nous commençons à remplacer de plus en plus de véhicules à combustion par des véhicules électriques, il est vraiment important de comprendre comment les batteries se comporteront dans différentes conditions », déclare Bond. « C’est très excitant de travailler sur ces problèmes, et nous avons vraiment besoin d’outils comme les synchrotrons pour comprendre les moindres détails de ce qui se passe à l’intérieur de la batterie lorsque nous essayons de nouvelles approches. »
Toby Bond et al, Imagerie in situ de la croissance de l’épaisseur des électrodes et de l’épuisement des électrolytes dans les cellules monocristallines vs polycristallines LiNixMnyCozO2 / Graphite Pouch à l’aide de la tomodensitométrie à plusieurs échelles, Journal de la société électrochimique (2022). DOI : 10.1149/1945-7111/ac4b83