Le KAIST met au point une technologie d'inspection ultraprécise pour prévenir les incendies de batteries de véhicules électriques
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Une technologie d'inspection ultraprécise susceptible de contribuer à prévenir les incendies de batteries de véhicules électriques et à améliorer la sécurité de ces dernières a été mise au point. Une équipe de recherche du KAIST a mis au point une méthode capable de détecter les variations infimes de l'épaisseur des électrodes des batteries, susceptibles de contribuer à un emballement thermique, avec une précision équivalente à environ un dix-millième du diamètre d'un cheveu humain, le tout sans démonter ni endommager la batterie. Cette technologie devrait améliorer la sécurité et la qualité des batteries en identifiant les défauts invisibles lors du processus de fabrication.
Figure 1. Mesure de l'épaisseur d'une électrode de batterie lithium-ion à l'aide d'une interférométrie de Fabry-Pérot dans le domaine des térahertz, calibrée par un peigne de fréquences optiques
KAIST
Le KAIST (présidé par Choongsik Bae) a annoncé le 23 juillet qu’une équipe de recherche dirigée par le professeur Young-Jin Kim, du département de génie mécanique, avait mis au point une technologie permettant de mesurer l’épaisseur des électrodes des batteries lithium-ion de manière sans contact et non destructive.
Cette technologie combine les ondes térahertz (ondes électromagnétiques situées dans la région spectrale entre la lumière et les ondes radio) pour obtenir des informations provenant de l’intérieur des électrodes de la batterie, avec un peigne de fréquences optique, qui divise la fréquence de la lumière en intervalles régulièrement espacés, à l’image des graduations d’une règle, et sert de référence pour des mesures ultraprécises.
Les électrodes des batteries lithium-ion, largement utilisées dans les véhicules électriques, sont des composants essentiels par lesquels circule le courant électrique. Même une légère variation de l’épaisseur des électrodes peut entraîner une concentration du courant dans certaines zones lors de la charge et de la décharge, générant ainsi de la chaleur. Si la chaleur continue de s’accumuler, cela peut conduire à un emballement thermique, phénomène au cours duquel la température interne d’une batterie augmente rapidement et peut entraîner un incendie ou une explosion. Il est donc crucial de maintenir une épaisseur uniforme des électrodes lors de la fabrication des batteries.
Les technologies d’inspection existantes présentent toutefois des limites lorsqu’elles sont appliquées à des environnements de production. La tomographie par rayons X permet d’obtenir des images détaillées des structures internes, mais la durée relativement longue de l’inspection rend son utilisation difficile sur des lignes de production à grande vitesse. La microscopie acoustique à ultrasons nécessite un contact direct avec un milieu liquide, tandis que les capteurs de déplacement laser permettent d’effectuer des mesures rapides mais peinent à analyser avec précision les structures à l’intérieur d’une électrode.
L’équipe de recherche a surmonté ces limites en combinant les technologies du peigne de fréquences optiques et des térahertz. Les chercheurs ont d’abord dirigé des ondes térahertz vers une électrode de batterie et ont capté les signaux générés par les réflexions répétées de ces ondes à l’intérieur de l’électrode. Ils ont ensuite utilisé un peigne de fréquences optiques comme référence pour analyser les signaux avec une précision exceptionnelle et calculer l’épaisseur de l’électrode. Cela a permis d’effectuer des mesures à l’échelle nanométrique de la structure interne de l’électrode sans endommager la batterie.
Au cœur de cette technologie se trouve l’interférence de Fabry-Pérot, un motif d’interférence régulièrement espacé produit lorsque les ondes térahertz font des allers-retours répétés entre les surfaces avant et arrière d’une électrode. À l’instar de la mesure d’une longueur à l’aide des graduations d’une règle, les chercheurs ont analysé avec précision ce motif d’interférence en utilisant le peigne de fréquences optique comme référence pour déterminer l’épaisseur de l’électrode.
L’équipe a ainsi réussi à mesurer à la fois l’épaisseur de l’électrode et son indice de réfraction complexe (propriété optique d’un matériau indiquant dans quelle mesure il transmet et absorbe les ondes électromagnétiques) en une seule mesure, sans avoir besoin d’un processus d’étalonnage distinct.
Les chercheurs ont validé cette technologie à l’aide d’électrodes de batterie d’une épaisseur comprise entre 50 et 150 micromètres, comparable au diamètre d’un cheveu humain. Avec un temps de mesure de seulement 0,2 seconde, le système a détecté des différences d’épaisseur aussi faibles que 70,1 nanomètres au niveau de l’anode (soit environ un quatorzième du diamètre d’un cheveu humain) et 465,5 nanomètres au niveau de la cathode. Cette vitesse de mesure est jugée suffisante pour une utilisation sur des chaînes de production de batteries à cadence élevée.
Lorsque le temps de mesure a été porté à 25,6 secondes, la précision s’est encore améliorée. Le système a permis de distinguer des différences aussi faibles que 7,8 nanomètres au niveau de l’anode (soit environ un dix-millième du diamètre d’un cheveu humain) et 25,2 nanomètres au niveau de la cathode. Cela représente une amélioration de la précision pouvant aller jusqu’à 100 fois supérieure à celle des méthodes d’analyse conventionnelles dans le domaine temporel, permettant ainsi de détecter des variations d’épaisseur totalement invisibles à l’œil nu.
Cette technologie ne se limite pas à la mesure de l’épaisseur en un seul point. Elle permet de générer une carte tridimensionnelle de l’épaisseur sur l’ensemble d’une électrode et de suivre en temps réel les variations progressives d’épaisseur pendant la production. Les chercheurs ont également confirmé que le système pouvait mesurer avec précision une électrode inclinée à un angle d’environ 45 degrés, démontrant ainsi son potentiel d’application aux chaînes de fabrication de batteries en conditions réelles, où les processus se déroulent à un rythme soutenu.
Cette étude revêt une importance particulière car elle présente une nouvelle technologie d’inspection capable d’identifier des défauts microscopiques invisibles pendant la production, sans avoir à démonter ni endommager les batteries. Outre les batteries lithium-ion, cette technologie devrait constituer un outil essentiel de contrôle qualité pour la fabrication des batteries « tout solide » de nouvelle génération, qui utilisent des électrolytes solides à la place des électrolytes liquides. En détectant les défauts à un stade précoce, cette technologie pourrait améliorer la sécurité et la qualité des batteries tout en permettant des processus de fabrication plus stables.
« Cette technologie est une plateforme de métrologie intégrée capable de mesurer simultanément l’épaisseur des électrodes et les propriétés des matériaux sans nécessiter de processus d’étalonnage distinct », a déclaré le professeur Kim. « Nous pensons qu’elle deviendra une technologie clé pour le contrôle qualité en temps réel des chaînes de production des batteries lithium-ion de nouvelle génération et des batteries tout-solide. »
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