Les chercheurs du Laboratoire national d’Argonne ont identifié les « courts-circuits faibles » comme un signe précurseur de défaillance permanente de la batterie.
Pour faire face à la demande croissante de véhicules électriques (VE), les fabricants de batteries explorent des voies pour augmenter la densité de puissance, dans le but de créer des batteries plus compactes mais capables de fournir une puissance de sortie plus élevée. Néanmoins, chaque technologie présente des risques inhérents qui nécessitent une réflexion soigneuse.
En travaillant sur les batteries tout solide, les chercheurs du Laboratoire national d’Argonne (ANL) ont découvert des courts-circuits faibles, un phénomène caché entraînant une défaillance de la batterie. Qu’est-ce que ces courts-circuits faibles, et pourquoi sont-ils appelés le « fantôme » à l’intérieur de la batterie ?
Les chercheurs ont découvert un « fantôme » indiquant une défaillance de la batterie. Image utilisée avec l’aimable autorisation d’Adobe Stock
Le « Graal » des technologies de batteries
La recherche sur les batteries et le stockage de l’électricité est actuellement un sujet d’intérêt mondial considérable, représentant une avancée majeure pour les technologies grand public.
Dans le contexte des VE, les batteries tout solide offrent une plus grande promesse en termes de densité énergétique supérieure à celle des batteries lithium-ion à électrolyte liquide. De plus, les batteries tout solide sont considérées comme plus sûres car l’électrolyte solide réduit le risque d’explosion ou d’incendie causé par la solution aqueuse. La sécurité améliorée élimine la nécessité de composants de sécurité, ce qui permet de gagner de l’espace supplémentaire.
Anatomie des batteries lithium-ion et lithium-ion tout solide. Image utilisée avec l’aimable autorisation de FlashBattery
Les électrodes de la batterie sont des composants critiques qui influencent considérablement la densité de puissance. En particulier, le choix des matériaux d’électrode affecte la surface disponible pour les réactions électrochimiques et la cinétique de ces réactions. Les matériaux présentant une grande surface et une cinétique de réaction rapide peuvent faciliter les processus de charge et de décharge rapides, entraînant une densité de puissance plus élevée. De plus, la conductivité des matériaux d’électrode influence le flux d’électrons pendant la charge et la décharge, ce qui influence davantage les performances de puissance de la batterie.
Les batteries lithium-ion, avec des électrolytes au lithium, présentent une impressionnante densité de puissance, élargissant la gamme des VE. L’amélioration de cette densité implique de remplacer les anodes en graphite par des anodes en métal lithium, créant ainsi des batteries au lithium métal que beaucoup considèrent comme le « Graal » de la technologie des batteries. Néanmoins, cette technologie présente des défis inhérents, tels que des modes de défaillance spéciaux, qui doivent être résolus avant que les batteries puissent être adoptées à grande échelle.
Le mode de défaillance fantôme dans les batteries tout solide
Lors du développement de nouveaux électrolytes solides pour les batteries de VE, les chercheurs de l’ANL ont découvert un phénomène intéressant conduisant à la défaillance de la batterie. Plus précisément, leur étude montre qu’au cours des tests de batterie en laboratoire, les batteries ont connu des fluctuations de tension intermittentes attribuées à des courts-circuits faibles ou des courts-circuits temporaires.
Les courts-circuits faibles impliquent la croissance de filaments de lithium de l’anode vers la cathode (c’est-à-dire des courts-circuits internes), mais moins intensément que les courts-circuits permanents. Les courts-circuits faibles présentent un comportement dynamique ou intermittent, se formant et se dissolvant rapidement en raison de facteurs tels que la génération de chaleur due au flux d’électrons et les réactions des filaments avec les électrolytes. Bien que les batteries avec des courts-circuits faibles puissent fonctionner pendant des heures ou des jours, elles finissent par entraîner une défaillance à mesure que les filaments se multiplient avec le temps.
Explication des courts-circuits faibles. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Counihan et al.
Un impact négatif des courts-circuits faibles est qu’ils diminuent l’efficacité de Coulomb dans les batteries tout solide. Malheureusement, leur nature insaisissable a tendance à échapper à la détection par les méthodes de test de tension conventionnelles, ce qui leur vaut le titre de « fantômes ». Une caractérisation précise des éléments de circuit ionique et électronique dépendant de la température via des données d’impédance est essentielle pour discerner quand une cellule est affectée par des courts-circuits faibles, où des quantités substantielles de courants ioniques et électroniques circulent simultanément à travers la cellule.
Identifier les courts-circuits faibles dans les premiers stades offre des informations sur la longévité de la batterie et constitue une mesure préventive contre les défaillances potentielles. Dans leur étude, l’équipe de recherche a utilisé près de 20 techniques novatrices de détection et a fourni une analyse des avantages et des inconvénients de chaque méthode. Par exemple, une technique tente de quantifier dans quelle mesure les courts-circuits faibles influencent l’impédance d’une batterie au courant électrique. Étant donné que divers composants de la batterie peuvent influencer cette impédance, isoler l’impact des courts-circuits faibles sera nécessaire pour que les chercheurs évaluent plus précisément la santé de la batterie.
Mieux comprendre les batteries
La recherche de l’ANL représente une avancée critique dans la compréhension des mécanismes de défaillance des batteries tout solide. Grâce à cette connaissance nouvelle, l’étude offre des aperçus essentiels pour la conception de systèmes de batteries plus sûrs et plus efficaces pour les VE et le stockage des sources d’énergie renouvelable. En fin de compte, en démêlant les complexités des phénomènes microscopiques, les chercheurs de l’ANL ouvrent une voie vers des solutions de stockage d’énergie plus sûres et plus efficaces pour l’industrie.