Essais non destructifs des batteries : nouvelle méthode mise au point
ZULF-NMR analyse les batteries sans ouvrir le boîtier
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Les batteries rechargeables sont omniprésentes, qu'il s'agisse d'appareils électroniques portables, de véhicules électriques ou de stockage d'énergie renouvelable. Les défaillances des batteries sont souvent dues à la perte ou à la dégradation chimique de l'électrolyte. Une équipe de recherche internationale associant l'Institut Helmholtz de Mayence, une branche du GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung de Darmstadt, l'Université Johannes Gutenberg de Mayence, le Physikalisch-Technische Bundesanstalt de Berlin et l'Université de New York s'est penchée sur la question de savoir comment permettre un diagnostic non destructif de l'électrolyte à travers le boîtier de la batterie à l'aide de techniques spéciales de résonance magnétique nucléaire. Les résultats ont été publiés dans la revue Chemical Science.
Dessin conceptuel illustrant la mesure ZULF-NMR d'une pile à poche (au centre) à l'aide de capteurs quantiques tels que les magnétomètres à pompage optique (OPM, en haut) et les dispositifs d'interférence quantique supraconducteurs (SQUID, en bas).
© F. Teleanu, A. Fabricant, using GPAI
Comment fonctionne une batterie rechargeable ? Une batterie stocke l'énergie électrique sous forme chimique. Elle contient deux électrodes métalliques et un milieu appelé électrolyte. Lors de la décharge, des réactions chimiques se produisent, au cours desquelles des particules chargées migrent à l'intérieur, tandis que des électrons circulent dans le circuit externe, fournissant de l'énergie électrique. Dans une batterie rechargeable, ce processus peut être inversé : la charge réinitialise les processus chimiques afin que le dispositif de stockage d'énergie puisse être utilisé à nouveau. Au fil des cycles de charge, l'électrolyte se modifie, vieillit ou peut fuir, ce qui peut rendre la batterie inutilisable ou, dans le pire des cas, constituer un danger en raison de la production de chaleur ou d'une explosion.
"Il n'existe actuellement aucune méthode fiable de contrôle non destructif de l'état des batteries, car la quantité et la composition chimique de l'électrolyte ne peuvent pas être déterminées à travers le boîtier à l'aide de techniques conventionnelles. C'est exactement là qu'intervient notre recherche", explique Anne Fabricant, coauteur de l'article, qui a participé aux expériences à l'Institut Helmholtz de Mayence (HIM) et au Physikalisch-Technische Bundesanstalt de Berlin. "Nous examinons les piles à l'aide de ce que l'on appelle la résonance magnétique de champ zéro à ultra-faible. Les boîtiers sont transparents pour cette technique, ce qui nous permet de voir à l'intérieur". Dans cette technique de diagnostic, également connue sous le nom de RMN ZULF, la résonance magnétique nucléaire est mesurée sans l'influence d'un champ magnétique externe puissant.
"Lors de nos essais, nous avons pu démontrer la détection directe et la quantification du solvant et du sel de lithium des électrolytes commerciaux à travers les boîtiers métalliques des batteries", explique le professeur Dmitry Budker, qui travaille au HIM et à l'université Johannes Gutenberg de Mayence et qui est l'un des champions de la méthode RMN ZULF. Il s'agissait de cellules de batterie emballées de manière réaliste, y compris les géométries de cellules dites "à poche" utilisées dans les véhicules électriques. Nous avons ainsi prouvé le concept et ouvert la voie à une application pratique de la technologie."
À l'avenir, la RMN de ZULF pourrait être utilisée pour tester l'intégrité des batteries rechargeables pendant leur fonctionnement, dans le cadre de mesures operando. Un sujet de plus en plus important, car ces batteries ont de nombreuses utilisations, par exemple dans les petits appareils mobiles tels que les téléphones cellulaires et les ordinateurs portables, mais aussi à grande échelle dans les véhicules électriques. Elles sont particulièrement intéressantes pour le stockage des énergies renouvelables. En outre, les mesures permettent de mieux comprendre les processus électrochimiques et le développement des technologies de cellules de batterie de la prochaine génération.
"La capacité de caractériser de manière non destructive le volume et la composition de l'électrolyte permet de concevoir des batteries de qualité supérieure et constitue un outil essentiel de contrôle de la qualité tout au long du cycle de vie d'une cellule", explique le professeur Alexej Jerschow de l'université de New York, collaborateur clé du projet et titulaire d'une bourse de recherche Carl-Zeiss-Humboldt.
L'équipe de recherche du professeur Budker prévoit d'autres expériences pour améliorer les diagnostics. "Nous avons de nombreuses idées sur la manière de rendre la détection plus précise et plus rapide, d'examiner des batteries plus importantes et de rendre le processus plus rentable", explique le professeur Budker. "Je suis convaincu qu'à long terme, cette technologie trouvera sa place à côté d'autres méthodes de diagnostic plus invasives.
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
Anne M. Fabricant, Román Picazo-Frutos, Florin Teleanu, Gregory J. Rees, Raphael Kircher, Mengjiang Lin, William Evans, Paul-Martin Luc, Robert A. House, Peter G. Bruce, Peter Krüger, John W. Blanchard, James Eills, Kirill F. Sheberstov, Rainer Körber, Dmitry Budker, Danila A. Barskiy, Alexej Jerschow; "Enabling nondestructive observation of electrolyte composition in batteries with ultralow-field nuclear magnetic resonance"; Chemical Science, 2026
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