Nouvelles possibilités de surveillance de l'état de santé des batteries

Les batteries sont dorénavant essentielles dans notre monde actuel et un des principaux défis à ce sujet est de faire des batteries « propres ». Depuis quelques années, différentes recherches ont été mise en évidence permettant de faire des estimations précises des états de charge et de santé des batteries. Dans ce contexte, les capteurs à fibre optique ont fait leur apparition dans le monde des batteries en raison de leurs nombreux avantages. Leurs capacités techniques leur permettent d’être des candidats prometteurs pour l’étude de la dégradation des électrolytes. Parmi ces fibres optiques, les capteurs à réseau de Bragg sur fibre (FBG) ont déjà été capables de surveiller la température et la pression dans des conditions réelles lorsque placés dans une batterie. Cependant, dans une telle configuration, la lumière est confinée à l'intérieur du cœur de la fibre et ne permet pas d’avoir de nombreuses résonances, empêchant une interaction avec son environnement.

Dans un article récent, Huang et al., une équipe internationale du CSE (Chimie du solide et de l’énergie) ont surmonté ce défi et développé une technique operando pour suivre l’état de l’électrolyte dans des conditions de travail réelles. En effet, en inclinant le plan de réseau des FBGs, les auteurs ont obtenu un autre sensor, le TFBG pour réseau de Bragg à fibre inclinée. Contrairement aux FBGs, les TFBGs sont sensibles à l'indice de réfraction (IR) environnant, leur permettant d'avoir des applications réelles dans la détection (bio-)chimique et leur apparition dans le domaine de l'électrochimie, comme les supercondensateurs.

Sur cette image : Spectres TFBG complets (a) et agrandis (b, rectangle pointillé en a) sélectionnés dans un électrolyte. Les changements d'amplitude des modes de fuit[HC1] e ainsi que les décalages de longueur d'onde des modes de gaine guidés [HC2] sont clairement visibles, ce qui implique la variation de l'IR de l'électrolyte lors du processus de charge.

Comme preuve de concept, l'étude a été réalisée sur l'électrochimie des cellules sodium-ion 18650 Na3V2(PO4)2F3/carbone dur (NVPF/HC) contenant différentes combinaisons d'électrolytes. Pour calibrer la sensibilité du TFBG en fonction de son indice de réfraction, le capteur a été immergé dans des solutions de saccharose ayant différentes concentrations (de 0 à 50 % en poids) et donc différents indices de réfraction. Les auteurs ont démontré comment un seul TFBG est capable de surveiller simultanément la température et l'indice de réfraction à l'intérieur de la batterie, ce qui permet de distinguer les voies de décomposition de l'électrolyte. En outre, cette étude a permis, pour la première fois, d'accéder à la turbidité des électrolytes, qui pourrait être utilisée pour suivre la détérioration de l'électrolyte. Enfin, les signaux d'indice de réfraction et de turbidité recueillis ont montré des corrélations linéaires avec la perte de capacité des cellules.

Ces résultats démontrent une méthode plus simplifiée, explicite et reproductible pour mesurer l’indice de réfraction que leurs prédécesseurs. De plus, en évaluant la turbidité des électrolytes ainsi que l’identification des voies de réactions (électro)-chimiques au cours de la formation des SEI, les TFBGs sont en phase avec les derniers développements de la technologie des batteries. Enfin, en généralisant la méthodologie à quelques formules d'électrolyte, les auteurs fournissent de nouvelles données à l'intelligence artificielle pour mieux comprendre et prédire le vieillissement des cellules.

L’étude et ses conclusions sont à retrouver en détail ici.