Utilisation inédite d’une technique de caractérisation pour suivre en direct la croissance des dendrites
Les batteries Li-ion sont de plus en plus nombreuses dans notre quotidien. Après les appareils portatifs, comme les téléphones ou les ordinateurs portables, elles équipent maintenant les voitures électriques. Les chercheurs tentent continuellement d’optimiser cette technologie. Aujourd’hui, l’un des défis de l’industrie automobile est d’améliorer l’expérience utilisateur des nouveaux propriétaires de véhicules électriques, et notamment de leur permettre de charger rapidement leur moyen de locomotion. Les industriels affichent comme objectif à long terme une charge intégrale en 10 minutes.
Cependant, un frein à cette ambition est l’apparition de « dendrites » dans la batterie lors des charges rapides. Une dendrite est une excroissance de lithium métallique qui se forme par une réaction parasite au niveau de l’électrode. Or, quand une dendrite partie de l’électrode négative, l‘anode, arrive en contact avec l’électrode positive, la cathode, il se crée un court-circuit. Ce phénomène endommage la batterie et peut provoquer un emballement thermique.
Une équipe de chercheurs français coordonnée par le Dr Elodie Salager, membre du RS2E, a démontré la possibilité d’utiliser la résonance paramagnétique électronique (ou RPE) pour suivre en temps réel les dépôts de lithium métallique et donc la croissance des dendrites. Une telle approche pourrait permettre de mieux contrôler ce dernier phénomène. Les résultats de l’étude, réalisés dans le cadre de l’infrastructure nationale RENARD (FR3443), sont à retrouver dans la revue Nature Communications.
Image 1 : Combinaison de l'imagerie RPE et de la spectroscopie RPE pour caractériser la position spatiale, la morphologie et l’évolution des dépôts de lithium métallique en temps réel
La résonance paramagnétique électronique est une technique de caractérisation qui permet, dans un matériau, de détecter les électrons non-appariés (ou célibataires). Le lithium métallique possède des électrons de conduction, non appariés, qui sont donc visibles par la technique susmentionnée. L’imagerie RPE peut les localiser. De plus, les caractéristiques du signal obtenu par spectroscopie RPE (forme, champ magnétique de résonance, amplitude) donnent des indications sur l’environnement local de l’électron détecté. Il y a notamment une corrélation entre la forme, le champ magnétique d’apparition du signal et la morphologie des dépôts de lithium métallique.
En s’appuyant sur cette observation, les chercheurs de l’étude en question proposent une méthodologie combinant imagerie RPE et spectroscopie RPE, dans une cellule symétrique de type Li//Li, pour caractériser la position spatiale, la morphologie et l’évolution de ces dépôts de lithium métallique en temps réel, pendant le fonctionnement de la cellule.
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Références :
Monitoring metallic sub-micrometric lithium structures in Li-ion batteries by in situ electron paramagnetic resonance correlated spectroscopy and imaging
Charles-Emmanuel Dutoit et al.
Nature Communications, 03/03/21, DOI : 10.1038/s41467-021-21598-2
Contact : elodie.salager@cnrs-orleans.fr; herve.vezin@univ-lille.fr