De nouvelles connaissances sur le mécanisme de défaillance des batteries au lithium-ion

Les chercheurs ont identifié un nouveau mécanisme potentiel de dégradation des batteries des véhicules électriques – une étape clé dans la conception de méthodes efficaces pour améliorer la durée de vie des batteries.

Les chercheurs des universités de Cambridge et de Liverpool, ainsi que la source lumineuse au diamant, ont identifié l’une des raisons pour lesquelles les matériaux des batteries « riches en nickel » de pointe se fatiguent et ne peuvent plus être complètement chargés après une utilisation prolongée.

Leurs résultats, publiés dans la revue Nature Materials, ouvrent la voie au développement de nouvelles stratégies visant à améliorer la durée de vie des batteries.

Dans le cadre des efforts de lutte contre le changement climatique, de nombreux pays ont annoncé des plans ambitieux visant à remplacer les véhicules à essence ou diesel par des véhicules électriques (VE) d’ici 2050 ou avant.

Les batteries lithium-ion utilisées par les VE sont susceptibles de dominer le marché des VE dans un avenir prévisible, et les oxydes métalliques de transition au lithium, riches en nickel, constituent le choix de pointe pour l’électrode positive, ou cathode, de ces batteries.

Actuellement, la plupart des batteries des VE contiennent des quantités importantes de cobalt dans leurs matériaux de cathode. Cependant, le cobalt peut causer de graves dommages à l’environnement, c’est pourquoi les chercheurs ont cherché à le remplacer par le nickel, qui offre également des capacités pratiques plus élevées que le cobalt. Cependant, les matériaux riches en nickel se dégradent beaucoup plus rapidement que la technologie existante et nécessitent des études supplémentaires pour être commercialement viables pour des applications telles que les VE.

« Contrairement aux produits électroniques consommables qui n’ont généralement qu’une durée de vie de quelques années, les véhicules devraient durer beaucoup plus longtemps et il est donc essentiel d’augmenter la durée de vie d’une batterie de VE« , a déclaré le Dr Chao Xu du département de chimie de Cambridge, et premier auteur de l’article. « C’est pourquoi une compréhension complète et approfondie de leur fonctionnement et des raisons de leur défaillance sur une longue période est essentielle pour améliorer leurs performances« .

Pour suivre en temps réel l’évolution des matériaux de la batterie pendant plusieurs mois de tests, les chercheurs ont utilisé la technologie laser pour concevoir une nouvelle pile à monnaie, également appelée pile bouton. « Cette conception offre une nouvelle possibilité d’étudier les mécanismes de dégradation sur une longue période de cyclage pour de nombreuses chimies de batterie« , a déclaré M. Xu. Au cours de l’étude, les chercheurs ont découvert qu’une partie du matériau de la cathode se fatigue après des charges et des décharges répétées de la pile, et que la quantité de matériau fatigué augmente au fur et à mesure que le cycle se poursuit.

Xu et ses collègues ont plongé dans la structure du matériau à l’échelle atomique pour chercher des réponses aux raisons d’un tel processus de fatigue. « Pour fonctionner pleinement, les matériaux de la batterie doivent se dilater et se contracter au fur et à mesure que les ions de lithium entrent et sortent« , a déclaré Xu. « Cependant, après une utilisation prolongée, nous avons découvert que les atomes à la surface du matériau s’étaient réarrangés pour former de nouvelles structures qui ne sont plus capables de stocker de l’énergie« .

Le pire, c’est que ces zones de surface reconstruites agissent apparemment comme des piquets qui bloquent le reste du matériau en place et l’empêchent de se contracter, ce qui est nécessaire pour atteindre l’état de pleine charge. En conséquence, le lithium reste coincé dans le treillis et ce matériau fatigué peut supporter une charge moindre.

Forts de ces connaissances, les chercheurs cherchent maintenant des contre-mesures efficaces, telles que des revêtements protecteurs et des additifs d’électrolyte fonctionnels, pour atténuer ce processus de dégradation et prolonger la durée de vie de ces batteries.

La recherche, dirigée par le professeur Clare P Grey du département de chimie de Cambridge, a été soutenue par le Faraday Institution Degradation Project.