Les batteries perdent de la charge lorsqu’elles « respirent »

Des chercheurs ont identifié une raison clé pour laquelle les batteries utilisées pour alimenter tout, des smartphones aux véhicules électriques, se détériorent avec le temps, une étape critique vers la construction de batteries plus rapides, plus fiables et plus durables.

L’équipe de recherche de l’Université du Texas à Austin, de l’Université Northeastern, de l’Université Stanford et du Laboratoire national d’Argonne a découvert que chaque cycle de charge et de décharge provoque l’expansion et la contraction des batteries, similaire à la respiration humaine. Cette action entraîne une légère déformation des composants de la batterie, exerçant une tension sur celle-ci et l’affaiblissant avec le temps. Ce phénomène, connu sous le nom de « dégradation chimico-mécanique », conduit à une réduction des performances et de la durée de vie.

Ces découvertes apportent un nouvel éclairage sur un problème qui a intrigué les scientifiques et ingénieurs du monde entier.

« À chaque « respiration » de la batterie, il y a un certain degré d’irréversibilité, » a déclaré Yijin Liu, professeur associé à la Cockrell School of Engineering’s Walker Department of Mechanical Engineering et au Texas Materials Institute, et responsable de l’étude publiée dans Science . « Cet effet s’accumule avec le temps, finissant par provoquer la défaillance de la cellule. »

L’une des découvertes clés a été l’identification de « cascades de contrainte », une réaction en chaîne dans laquelle la contrainte s’accumule dans une partie de l’électrode et se propage aux régions voisines. La nature unique et les mouvements imprévisibles des centaines de milliers de particules dans les batteries contribuent à cette contrainte.

« Nous avons pu observer que chaque particule se comporte différemment sous une contrainte électrochimique, » a expliqué Juner Zhu, professeur assistant en génie mécanique et industriel à Northeastern et l’un des co-auteurs. « Certaines particules se déplacent rapidement, comme des étoiles filantes dans le ciel, tandis que d’autres restent relativement stables. Ce comportement inégal crée une contrainte localisée qui peut conduire à des fissures et autres dommages. »

En comprenant comment la contrainte se développe et se propage, les ingénieurs peuvent créer des électrodes plus résistantes au stress et à la dégradation. Par exemple, l’étude suggère que l’application d’une pression contrôlée sur les cellules de batterie pourrait aider à atténuer la contrainte et à améliorer les performances.

« Notre objectif ultime est la création de technologies avancées qui peuvent augmenter considérablement l’utilité et la durabilité des batteries, » a affirmé Jason Croy, co-auteur et responsable du groupe de recherche sur les matériaux au Laboratoire national d’Argonne. « Comprendre comment la conception des électrodes influence leur réponse au stress est une étape critique pour repousser les limites de ce que les batteries peuvent faire. »

Pour découvrir ces nouvelles informations, l’équipe de recherche a employé des techniques d’imagerie avancées pour observer les électrodes de batterie en temps réel pendant la charge et la décharge. En utilisant des outils de pointe comme la microscopie à rayons X par transmission operando (TXM) et la laminographie 3D à rayons X, ils ont capturé des images détaillées de la façon dont les particules à l’intérieur des électrodes se déplacent et interagissent.

Les chercheurs ont d’abord observé cette dynamique dans un dispositif utilisé pour un autre projet de recherche , des écouteurs commerciaux. Les chercheurs prévoient de poursuivre sur cette voie, la prochaine étape se concentrant sur le développement de modèles théoriques pour mieux comprendre les interactions complexes entre les processus chimiques et mécaniques dans les électrodes de batterie.

La recherche a été financée par le Bureau des technologies véhiculaires du département de l’Énergie des États-Unis. Les autres membres de l’équipe sont Tianxiao Sun, Guannan Qian, Wenlong Li, Shimao Deng et le professeur Guihua Yu du programme de science et génie des matériaux et du département de génie mécanique de l’UT ; Ruqing Fang de l’Université Northeastern ; Guibin Zan et Wenbing Yun de Sigray Inc. ; Zhichen Xue, les professeurs Will Chueh et Piero Pianetta de Stanford et du SLAC National Accelerator Laboratory ; et Stephen E. Trask, Arturo Gutierrez et Luxi Li du Laboratoire national d’Argonne.

Source : Texas U.