Recherche sur les batteries : la répartition des isotopes de lithium sert d'empreinte digitale pour les processus de vieillissement
Une nouvelle méthode de diagnostic permet de détecter la dégradation des batteries plus tôt que la mesure de la capacité
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La durée de vie des batteries lithium-ion est limitée par des processus de vieillissement complexes, dont les causes sont souvent difficiles à distinguer les unes des autres. Des chercheurs de l'Institut fédéral allemand de recherche et d'essais sur les matériaux (BAM) ont pu démontrer que la répartition de deux isotopes du lithium dans les cellules, à l'instar d'une « empreinte digitale », est directement liée aux processus de dégradation. Ce lien ouvre de nouvelles perspectives pour mieux comprendre les mécanismes de vieillissement et optimiser les batteries de manière plus ciblée.
La répartition des isotopes 6 et 7 du lithium dans une cellule laisse une empreinte caractéristique et peut servir d'outil de diagnostic des processus de vieillissement.
BAM
Les batteries lithium-ion constituent une technologie clé pour la transition énergétique. Malgré des progrès continus en matière de performances et de durée de vie, un problème central reste toutefois sans solution : les cellules vieillissent à chaque cycle de charge et de décharge. Leur capacité diminue et leurs performances s’affaiblissent.
Plusieurs processus complexes à l’intérieur de la batterie en sont responsables. À ce jour, le défi consistant à identifier clairement ces mécanismes de vieillissement et à les distinguer les uns des autres reste sans réponse. Les méthodes de diagnostic classiques montrent certes qu’une batterie vieillit, mais ne fournissent souvent que des informations limitées sur le moment, le lieu et le mécanisme à l’origine de la dégradation.
Une équipe du BAM dirigée par Carlos Abad et Beatrice Battistella a mis au point une nouvelle approche, publiée dans la revue spécialisée ACS Energy Letters. Les chercheurs utilisent la répartition de deux isotopes du lithium dans une cellule comme outil de diagnostic des processus de vieillissement. Leurs traces et leurs motifs caractéristiques fournissent une empreinte des mécanismes de dégradation sous-jacents.
Cette méthode tire parti du fait que le lithium naturel se compose de deux isotopes : le lithium-6 et le lithium-7, légèrement plus lourd. Il s’agit de variantes d’un même élément chimique présentant un nombre différent de neutrons. Dans les batteries neuves, ces deux isotopes de lithium sont répartis comme dans tous les gisements naturels de ce métal alcalin, c’est-à-dire dans un rapport de 2,4 % à 97,6 %. Concrètement, les chercheurs ont étudié une batterie au lithium dotée d’une cathode en oxyde de lithium-nickel-manganèse-cobalt (NMC) et d’une anode en graphite. Dès les premiers cycles de charge, le lithium-6 s’est accumulé de manière préférentielle au niveau de l’anode. Après 280 cycles supplémentaires, cet effet s’est amplifié, tandis que la cathode présentait des teneurs nettement plus élevées en lithium-7. Parallèlement, la capacité des cellules a diminué.
Cette découverte a été rendue possible grâce à une forme de spectrométrie de masse à haute résolution, qui a permis de déterminer la répartition des isotopes du lithium couche par couche sur toute la profondeur des électrodes. Ces recherches ont été menées en collaboration avec Nu Instruments Ltd. au Royaume-Uni ainsi qu’avec l’Institut Leibniz de recherche sur les solides et les matériaux de Dresde (IFW Dresden).
« La répartition des isotopes du lithium fournit ainsi des informations directes sur les processus de vieillissement dans les batteries lithium-ion. Les isotopes agissent comme des marqueurs naturels. Leur répartition nous montre comment le lithium se déplace pendant le fonctionnement de la batterie et à quels endroits des changements se produisent », explique Beatrice Battistella. Les chercheurs ont également pu démontrer que ces traces sont étroitement liées à la perte de capacité des batteries.
Pour Beatrice Battistella et Carlos Abad, l’importance de ces résultats réside avant tout dans leurs applications pour des mesures précises : au lieu de détecter le vieillissement uniquement à partir de la perte de capacité, il serait à l’avenir possible de le suivre bien plus tôt grâce aux traces laissées par les isotopes du lithium dans la cellule de la batterie. Cela permet une compréhension plus précise des mécanismes de vieillissement et s’avère finalement déterminant pour améliorer les batteries de manière plus ciblée et prédire leur durée de vie avec plus de précision.
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 Allemand peut être trouvé ici.
Publication originale
Beatrice Battistella * ; Adam Revill; Cornel Venzago; Volker Hoffmann; Leonardo Agudo Jácome; Dominik Al-Sabbagh; Sebastian Recknagel; Carlos Abad *; Depth-Resolved Lithium Isotope Fractionation as a Diagnostic of Interphase Evolution and Degradation in Lithium-Ion Batteries; ACS Energy Lett. (2026) 11 (3): 2851–2857.
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