Des chercheurs de l’ANL percent un secret des batteries lithium-ion

Tandis que certains gravissent l’Everest, d’autres scrutent les batteries lithium-ion à l’aide de l’APS (Advanced Photon Source) du Laboratoire national d'Argonne, l'un des trois plus grands synchrotrons au monde. Il n’y voient pas le plus haut sommet du monde et l’occasion de faire un documentaire égocentré ; ils observent plutôt les mécanismes chimiques complexes qui déclenchent le processus de dégradation dans la batterie, et livrent un document de recherche titré Solvent-mediated oxide hydrogenation in layered cathodes. Document synthétisé et vulgarisé dans un communiqué de presse publié sur le site de l’Argonne National Laboratory le 13 septembre dernier.

L'équipe au travail sur "la table expérimentale pour les mesures de rayons X sur la ligne de faisceau 25-ID récemment mise à niveau à l'APS" © ANL

Le coupable identifié, reste à le punir

Les batteries lithium-ion sont utilisées depuis plusieurs décennies, mais tous les rouages de leur fonctionnement ne sont pas encore parfaitement appréhendés. Une équipe de quatorze scientifiques du Laboratoire national d'Argonne s'est penchée sur le phénomène d’auto-décharge.

Celui-ci se définit la perte d'énergie de la batterie y compris lorsqu'elle n'est pas utilisée. La source donne l’exemple d’un véhicule électrique qui reste au repos pendant un mois ou plus et qui peut ne pas fonctionner en raison de la faible tension et de la faible charge de la batterie.

Or, comme l’explique la source, tandis que la compréhension globale du fonctionnement des batteries lithium-ion progresse, il subsiste un débat sur les causes du phénomène d'auto-décharge : « Les batteries lithium-ion rechargeables utilisent des ions lithium pour stocker l'énergie. La cathode et l'électrolyte sont deux éléments clés des batteries lithium-ion. La longévité de la batterie peut être influencée par la dégradation des cathodes […]. La théorie dominante sur la dégradation des cathodes se concentre sur deux domaines : la perte de lithium ou la libération d'oxygène par les cathodes. Parallèlement, des études théoriques ont prédit que les électrolytes ont tendance à se décomposer sur les surfaces des cathodes. »

Afin d’y voir plus clair, les chercheurs ont utilisé la technologie des rayons X de l’APS pour examiner les batteries en fonctionnement à un niveau moléculaire. Cette recherche valide un mécanisme d'hydrogénation de la cathode comme vecteur de l'auto-décharge. « Au cours de ses recherches, l’équipe a découvert la preuve expérimentale et computationnelle d'un mécanisme qui déclenche l'auto-décharge : l'hydrogénation de la cathode, ou le processus de transfert dynamique des protons et des électrons du solvant de l'électrolyte dans les oxydes en couches hautement chargés de la cathode », expose l'article de l'Argonne.

Zonghai Chen, chimiste principal à l'Argonne, explique : « L'auto-décharge est un phénomène que connaissent tous les dispositifs électrochimiques rechargeables. Le processus consomme lentement les précieux matériaux fonctionnels de la batterie et dépose des produits secondaires indésirables à la surface des composants de la batterie. Cela entraîne une dégradation continue des performances de la batterie ».

Forcément, comprendre les causes d’un phénomène reste la première étape pour y remédier. Il n’y a pas encore d’applications commerciales, mais Zonghai Chen estime qu’en « atténuant l'auto-décharge, nous pouvons concevoir une batterie plus petite, plus légère et moins chère sans sacrifier les performances ».