Le diagnostic d’une batterie défectueuse peut conduire à une meilleure batterie

Par Kelly Izlar

Ce sera électrique. Mais dans quel délai ? La rapidité avec laquelle notre société peut maximiser les avantages de l’électrification dépend de la découverte de batteries moins chères et plus performantes – une réalité plus proche grâce à de nouvelles recherches menées par Virginia Tech.

Une équipe de chimistes dirigée par Feng Lin et Louis Madsen a trouvé un moyen de voir dans les interfaces des batteries, qui sont des endroits étroits et délicats enfouis au plus profond de la cellule. Les résultats de cette recherche ont été publiés le 1er avril dans la revue Nature Nanotechnology.

« Les interfaces posent depuis longtemps des problèmes majeurs », a indiqué Jungki Min, étudiant diplômé en chimie et premier auteur de l’étude. « Nous essayons toujours de mieux contrôler ces surfaces enfouies. »

La découverte par les membres de l’équipe d’une nouvelle technique d’imagerie leur permettant d’observer l’intérieur d’une batterie en fonctionnement s’est faite par hasard. À l’origine, ils étudiaient une nouvelle formulation d’électrolyte.

La meilleure batterie

Pris en sandwich entre les électrodes négative et positive, l’électrolyte est le matériau qui transporte les particules chargées, appelées ions, dans un sens ou dans l’autre pour charger et décharger une batterie.

Les électrolytes présentent de nombreuses combinaisons possibles de sels, de solvants et d’additifs. Ils peuvent être liquides, solides, gélifiés ou même multiphasés, ce qui signifie que le matériau peut passer de la rigidité à la souplesse en fonction des conditions.

Mais quel est le meilleur matériau à utiliser pour la tâche critique de transport de la charge ?

C’est l’une des grandes questions que se pose actuellement la science, et elle est essentielle pour mettre au point des batteries à haute énergie ayant une durée de vie plus longue et pouvant être stables à des températures extrêmes – autant de qualités importantes pour la prochaine génération de véhicules électriques, d’appareils électroménagers et d’autres technologies alimentées par des batteries, telles que l’intelligence artificielle.

Où l’énergie disparaît-elle ?

Pour répondre à cette question, les chercheurs ont étudié ce qu’on appelle un électrolyte polymère multiphase, qui pourrait stocker plus d’énergie dans une batterie de même taille, tout en étant plus sûr et moins cher que les batteries conventionnelles.

Le laboratoire de Louis Madsen a découvert un électrolyte multiphase, appelé composite ionique moléculaire, en 2015. Les groupes de recherche ont travaillé ensemble pour construire des batteries au lithium et au sodium basées sur cette formulation, et ils ont apporté des améliorations constantes.

Mais il y a quelques bémols : Les batteries sont affectées par des excroissances bizarres et des comportements indésirables qui apparaissent là où l’électrolyte et les électrodes se rencontrent, dans le triangle des Bermudes des batteries, les interfaces.

Aperçu des interfaces

Afin d’avoir un aperçu des causes de ces comportements bizarres aux interfaces, Min s’est rendu à plusieurs reprises au laboratoire national de Brookhaven au cours des dernières années.

La ligne de faisceaux de rayons X à énergie tendre de Brookhaven est largement utilisée pour analyser des objets tels que les météorites et les champignons. Mais personne ne l’avait jamais utilisée pour étudier les électrolytes polymères.

Ce que les chercheurs ont découvert, combiné aux résultats d’autres techniques d’imagerie, leur a permis de localiser la source des problèmes : Une partie du système de support architectural s’est dégradée au fur et à mesure du cycle de la batterie, ce qui a conduit à sa défaillance.

Mais il ne s’agit pas d’un simple diagnostic.

À partir de maintenant, les chercheurs peuvent utiliser cette technique pour voir enfin la structure complexe et les réactions chimiques des interfaces enfouies.

« Il s’agit d’une excellente collaboration entre plusieurs laboratoires de recherche à travers le pays », a conclu M. Lin, qui est chargé de cours. « Nous disposons désormais d’une bonne image mécaniste qui nous permettra de mieux concevoir les interfaces et les interphases dans les batteries à polymères solides. »

Article « Investigating the effect of heterogeneities across the electrode|multiphase polymer electrolyte interfaces in high-potential lithium batteries » – DOI: 10.1038/s41565-025-01885-5

Légende illustration : Jungki Min, étudiant diplômé en chimie travaillant avec le professeur Feng Lin. Photo prise par Spencer Coppage pour Virginia Tech.