Une méthode sans dommage pour évaluer l'état de santé des batteries de nouvelle génération pour les véhicules électriques
La spectroscopie d'impédance électrochimique montre comment les batteries lithium-métal à l'état solide se dégradent
Des chercheurs de l'Université métropolitaine de Tokyo ont démontré que la spectroscopie d'impédance électrochimique (SIE) peut être un outil non destructif puissant pour étudier les mécanismes de dégradation des batteries au lithium métal à l'état solide. Ils ont étudié des batteries lithium-métal entièrement solides à base de céramique, préparées par dépôt d'aérosol et chauffage, et ont identifié l'interface spécifique responsable de la baisse de performance. Leur travail souligne avec précision les obstacles techniques à surmonter pour mettre sur le marché ces batteries de premier ordre.
Le dépôt en aérosol du matériau cathodique consiste à accélérer des morceaux microscopiques et à les faire entrer en collision avec la surface d'un électrolyte pour former un film dense. Pour comprendre les forces et les faiblesses de leur nouvelle conception de batterie, l'équipe a utilisé la spectroscopie d'impédance électrochimique, en appliquant des signaux électriques pour mesurer les résistances effectives de la gamme d'interfaces présentes dans la batterie.
Tokyo Metropolitan University
Les véhicules électriques (VE) sont un élément crucial des efforts déployés dans le monde entier pour réduire les émissions de carbone. Et au cœur de chaque VE se trouve sa batterie. La conception de la batterie reste un goulot d'étranglement essentiel lorsqu'il s'agit de maximiser l'autonomie et d'améliorer la sécurité du véhicule. L'une des solutions proposées, les batteries lithium-métal entièrement solides, a le potentiel d'offrir une densité d'énergie plus élevée, une sécurité accrue et une complexité moindre, mais des problèmes techniques continuent d'entraver leur transition vers les véhicules de tous les jours.
Un problème majeur est l'importante résistance interfaciale entre les électrodes et les électrolytes solides. Dans de nombreux modèles de batteries, les matériaux de la cathode et de l'électrolyte sont des céramiques fragiles, ce qui rend difficile un bon contact entre eux. Il est également difficile de diagnostiquer l'interface qui cause réellement des problèmes. Pour étudier la dégradation des batteries lithium-métal entièrement solides, il faut généralement les ouvrir : il est donc impossible de savoir ce qui se passe lorsque la batterie fonctionne.
Une équipe dirigée par le professeur Kiyoshi Kanamura de l'Université métropolitaine de Tokyo a mis au point des batteries au lithium métal entièrement solides présentant une résistance interfaciale plus faible en utilisant une technique appelée dépôt d'aérosol. Des morceaux microscopiques de matériau cathodique sont accélérés vers une couche de matériau électrolyte céramique où ils entrent en collision et forment une couche dense. Pour résoudre le problème de la formation de fissures lors de la collision, l'équipe a recouvert les morceaux de matériau cathodique d'un matériau de "soudure", c'est-à-dire un matériau plus mou et à faible point de fusion qui peut être traité thermiquement pour générer un excellent contact entre la cathode nouvellement formée et l'électrolyte. Leur cellule finale entièrement solide Li/Li7La3Zr2O12/LiCoO2 offre une capacité de décharge initiale élevée de 128 mAh g-1 à 0,2 et 60 °C et conserve une capacité élevée de 87 % après 30 cycles de charge/décharge. Il s'agit du meilleur résultat de sa catégorie pour les batteries Li métal entièrement solides avec des électrolytes d'oxyde céramique. Il est donc d'autant plus important de s'attaquer à la manière dont elles peuvent se dégrader.
L'équipe a utilisé la spectroscopie d'impédance électrochimique (SIE), un outil de diagnostic largement utilisé en électrochimie. En interprétant la façon dont la cellule répond à des signaux électriques de différentes fréquences, ils ont pu distinguer les résistances des différentes interfaces de leur batterie. Dans le cas de leur nouvelle cellule, ils ont découvert qu'une augmentation de la résistance entre le matériau de la cathode et la soudure était la principale raison de la baisse de capacité de la cellule. Il est important de noter qu'ils ont obtenu ce résultat sans démonter la cellule. Ils ont également pu confirmer ces résultats en utilisant la microscopie électronique in situ, identifiant clairement la fissuration de l'interface pendant le cycle.
Les innovations de l'équipe n'ont pas seulement permis de réaliser une conception de batterie de pointe, mais elles ont également mis en évidence les prochaines étapes pour apporter des améliorations supplémentaires en utilisant une méthode sans dommages et largement disponible. Leur nouveau paradigme promet de nouvelles avancées passionnantes pour les batteries de la prochaine génération de véhicules électriques.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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