Recherche sur les batteries : visualisation des processus de vieillissement operando
il se passe beaucoup de choses aux interfaces entre l'anode, le séparateur et la cathode lorsqu'une batterie se charge ou se décharge
Les piles boutons au lithium dont les électrodes sont constituées d'oxydes de nickel-manganèse-cobalt (NMC) sont très puissantes. Malheureusement, leur capacité diminue avec le temps. Pour la première fois, une équipe a utilisé une méthode non destructive pour observer l'évolution de la composition élémentaire des différentes couches d'une pile bouton au cours des cycles de charge. L'étude, qui vient d'être publiée dans la revue Small, a impliqué des équipes du Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), de l'université de Münster, des chercheurs du groupe de recherche SyncLab du HZB et du laboratoire BLiX de l'université technique de Berlin. Les mesures ont été effectuées dans le laboratoire BLiX et à la source de rayonnement synchrotron BESSY II.
Les batteries lithium-ion sont de plus en plus performantes. La combinaison d'oxydes de nickel-manganèse-cobalt en couches (NMC) avec une électrode de graphite (anode) s'est bien établie comme matériau de cathode dans les piles boutons et a été continuellement améliorée. Cependant, même les meilleures piles ne durent pas éternellement ; elles "vieillissent" et perdent de leur capacité au fil du temps.
Il se passe beaucoup de choses aux interfaces entre l'anode, le séparateur et la cathode lorsqu'une batterie se charge ou se décharge", explique Ioanna Mantouvalou, physicienne à HZB et premier auteur de l'étude. Généralement, ces changements ne sont étudiés qu'après le démontage de la batterie, c'est-à-dire ex situ et à un moment précis du processus de cyclage. Mais il existe désormais un autre moyen : les expériences in situ et operando permettent de regarder à l'intérieur de la batterie pendant que les processus se déroulent, en utilisant la fluorescence X (XRF) et la spectroscopie d'absorption des rayons X (XAS) dans une géométrie dite confocale. Cette géométrie permet le balayage en 3D d'un échantillon avec des résolutions en profondeur allant jusqu'à 10 µm. De tels dispositifs expérimentaux sont déjà possibles à la source de rayonnement synchrotron BESSY II. Toutefois, le temps de mesure à BESSY II étant limité, les piles ne peuvent pas être étudiées pendant toute leur durée de vie.
C'est pourquoi Ioanna Mantouvalou utilise à BLiX un micro-spectromètre confocal à fluorescence X, qui peut analyser des échantillons de manière entièrement automatique sur de longues périodes. L'installation confocale nous permet de distinguer les différentes couches, de la cathode NMC au contact arrière, et d'étudier leur composition élémentaire. Cela nous permet d'obtenir des informations spatialement résolues sur le fonctionnement sans modifier l'empilement des couches. Non-destructif ! Quantitatif, dans des conditions d'exploitation, c'est-à-dire operando", explique Mantouvalou.
Les chercheurs ont analysé une pile bouton au lithium sur l'instrument BLiX pendant plusieurs semaines et plus de 10 000 cycles de charge, fournissant ainsi des données sur la dégradation de l'électrode NMC au fil du temps. En outre, l'échantillon a été examiné sur la nouvelle ligne de faisceau microfocale (MiFO) du laboratoire PTB de BESSY II.
L'étude montre qu'au cours des trois premières semaines, le manganèse en particulier se dissout de la cathode NMC et migre vers l'anode de carbone. Ce processus prend environ 200 cycles. Ensuite, le composé se dissout de plus en plus dans les couches intermédiaires, ce qui interrompt les réactions et les processus ultérieurs. Nous avons un besoin urgent de tels résultats quantitatifs pour améliorer les batteries", déclare Mantouvalou. L'appareil du laboratoire BLiX peut également être utilisé pour des expériences sur d'autres matériaux.
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.
Publication originale
Ioanna Mantouvalou, Lena Mathies, Katja Frenzel, Yannick Wagener, Leona Johanna Bauer, Daniel Grötzsch, Matthias Müller, Birgit Kanngießer, Martin Winter, Sascha Nowak, Adrian Jonas, Burkhard Beckhoff; "Operando Measurement of Transition Metal Deposition in a NMC Li‐Ion Battery Using Laboratory Confocal Micro‐X‐ray Fluorescence Spectroscopy"; Small, 2025-4-18
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