Pourquoi les batteries des voitures électriques s’usent-elles trop vite ?
Après avoir conquis le monde des appareils électroniques, les batteries lithium-ion ont maintenant démontré leur importance pour la transition énergétique en démocratisant la voiture électrique. De nouveaux défis sont apparus avec cette application qui implique des charges rapides, impactant l’efficacité des batteries.
Une collaboration pluridisciplinaire au sein du RS2E a récemment permis de franchir un pas majeur pour comprendre les perturbations liées aux charges rapides. Des chercheurs du laboratoire Chimie du solide et énergie (CSE, Collège de France) et du Laboratoire Kastler Brossel (LKB, ENS/Sorbonne Université/CNRS/Collège de France) ont publié des résultats inédits dans la revue Nature Nanotechnology : on y découvre pour la première fois des images de spectroscopie optique permettant de visualiser, en 3D et en temps réel, les deux parties constitutives d’une batterie en cours de fonctionnement : l’électrolyte (en général un liquide) et l’électrode (un solide), entre lesquels transitent les ions lithium lors des charges et décharges (c'est le transfert de charge).
La microscopie optique confocale est connue pour permettre des analyses simples, rapides, peu chères et faciles à adapter, par rapport à la microscopie électronique ou à de grands instruments comme le synchrotron. Mais si la technique avait déjà été utilisée pour imager isolément des électrodes en 2D, elle n’avait pas encore été exploitée pour comprendre en profondeur la perte d’efficacité des batteries en conditions réelles.
Combinant d’une par l’expertise du CSE dans la compréhension, l’assemblage et les tests des batteries, et d’autre part le savoir-faire du LKB dans la méthodologie, l’acquisition et le traitement des données de spectroscopie optique, l’équipe a développé une méthodologie originale pour suivre les ions lithium et leur concentration au cours du processus de transfert de charge. En réalisant des coupes dans le matériau d’électrode à différentes profondeurs, ils ont pu y visualiser en direct la formation d’hétérogénéités, qui s’accroît d’autant plus lorsque la charge ou la décharge est rapide.
Ces résultats sont une première mondiale ! Ils ouvrent la voie à une ingénierie plus fine des matériaux d’électrodes pour réussir à optimiser l’efficacité des batteries de demain. « Nous avons aujourd’hui le leadership dans le monde sur ce type de caractérisation, combiné à un savoir-faire pour contrôler la microstructure des matériaux, dont le RS2E peut être fier », témoigne Alexis Grimaud, qui a supervisé cette étude.
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Cette collaboration entre des chimistes du CSE et des physiciens LKB n’en est qu’à ses débuts, et de nombreuses techniques nouvelles de caractérisation des batteries sont envisagées : démocratiser l’outil, voire l’automatiser, l’étendre à d’autres matériaux et ions (sodium…), l’adapter aux conditions industrielles, et pourquoi pas mesurer le transfert des électrons – encore plus rapide que le transfert d’ions –, comme poursuivi dans le cadre d’un projet européen qui démarre.
Raj Pandya
Raj Pandya a effectué sa thèse à l’Université de Cambridge en construisant et en appliquant de nouvelles méthodes optiques pour visualiser le transport des porteurs (ex : électrons, excitons, polaritons, phonons, etc.) dans les matériaux fonctionnels. Pour son postdoc, il a voulu relever un nouveau défi. La visualisation de la réactivité à l’intérieur des systèmes électrochimiques demeurant une tâche encore très difficile en raison de leur environnement complexe et diffus, il s’agissait d’un domaine dans lequel il pouvait développer ses compétences en optique tout en contribuant à un domaine de recherche technologiquement important. C’est ce qui l’a amené à Paris pour son postdoc entre le laboratoire Complex Media de l’ENS et le Laboratoire Chimie du solide et énergie du Collège de France, avec Jean-Marie Tarascon et Alexis Grimaud.
Ses recherches portent sur l’imagerie de la dynamique des charges dans des environnements matériels complexes. L’objectif est de pousser la résolution temporelle, la résolution spatiale et la sensibilité chimique des méthodes optiques afin d’acquérir une compréhension des réactions universelles des systèmes chimiques (y compris les batteries), par exemple le transfert d'électrons, la solvatation, les sauts d’ions, etc. En ce moment, il se concentre particulièrement sur la façon dont on peut visualiser le transfert d’électrons dans les matériaux d’oxyde sur des échelles de temps ultrarapides (fs-ns) afin de comprendre certains des intermédiaires et des structures hors équilibre qui sont formés au cours de la chaîne de transfert de charge dans ces systèmes. Il s’agit non seulement d’une voie potentielle pour arrêter les réactions parasites dans les matériaux des batteries émergentes, mais aussi d’un moyen d’améliorer l’efficacité énergétique des batteries.
« Le R2SE et le laboratoire CSE du Collège de France ont été une grande source de collaboration au cours des dernières années. Au-delà des grandes installations, l’échange d’idées et l’expertise des uns et des autres nous ont permis d’explorer un large éventail de problèmes scientifiques. Les étudiants et les postdoctorants à l’université sont tous très compétents et gentils, et je suis reconnaissant pour l’aide qu’ils m’ont apportée dans ce domaine nouveau pour moi. Jean-Marie et Alexis ont également apporté un grand soutien au projet en aidant à identifier les questions clés ».