Regarder à l’intérieur des batteries lithium-ion offre de nouvelles façons de mettre un terme aux incendies mortels
Les batteries lithium-ion sont un élément indispensable de la transition vers l’abandon des combustibles fossiles grâce à leur sortie haute tension et leur longue durée de vie, mais leur tendance à surchauffer et à prendre feu constitue un problème sérieux. Aujourd’hui, deux articles différents abordent différents aspects du problème : dans le premier, des chercheurs américains ont photographié des électrodes de batterie fonctionnelles avec une résolution sans précédent pour déterminer pourquoi les batteries au lithium s’enflamment parfois lorsqu’elles ne sont pas chargées. Dans le deuxième cas, des chercheurs chinois ont développé un capteur optique qui pourrait être placé à l’intérieur de batteries pour détecter l’apparition d’un emballement thermique avant qu’il ne devienne dangereux.
Les électrodes d’intercalation ont joué un rôle central dans le développement de batteries lithium-ion fonctionnelles et rechargeables. « Les gourous qui l’ont inventé ont donné au monde un nouveau type de matériau… le fait que l’on puisse produire et libérer de l’énergie des milliers de fois maintenant est un miracle », déclare Nitash Balsara de l’Université de Californie à Berkeley. Le simple fait de placer le lithium sur une électrode entraîne une perte de capacité importante à chaque cycle de charge-décharge. Cependant, lorsque la batterie est chargée rapidement, le lithium peut d’abord se déposer sur l’anode, puis s’y intercaler en raison du flux de courants ioniques qui se poursuit après la coupure du courant électrique. «Entre le lithium métallique et le graphite, vous fabriquez une petite batterie», explique Balsara.
Dans le premier article, Balsara et ses collègues ont utilisé l’Advanced Light Source (ALS) du Lawrence Berkeley National Laboratory pour effectuer une tomodensitométrie par micro-rayons X sur les anodes des batteries lithium-ion après une charge rapide, mesurant la densité du courant ionique à différents niveaux. points. Ils ont constaté que le courant de « lithiation » moyen était relativement modeste. Cependant, plusieurs points chauds présentaient des courants beaucoup plus élevés, et ces valeurs aberrantes ont persisté. Les chercheurs soupçonnent que ces courants étonnamment élevés pourraient expliquer les informations faisant état de véhicules électriques prenant feu dans des garages. Balsara affirme qu’à l’heure actuelle, le groupe étudie toujours les principes fondamentaux et que les tests destructifs des batteries à l’intérieur de l’ALS pourraient s’avérer impossibles.
Le deuxième article examine le problème plus pratique de la caractérisation et de la détection de l’emballement thermique dans les batteries en état de marche. La plupart des capteurs ne peuvent pas survivre à des températures allant jusqu’à 500 °C qui peuvent survenir lors d’un emballement thermique, ce qui oblige les ingénieurs à recourir à des détecteurs externes. Cela donne un aperçu moins détaillé des réactions internes. Dans le cadre de ces nouveaux travaux, des chercheurs de l’Université des sciences et technologies de Chine (USTC) et de l’Université de Jinan, également en Chine, ont développé un capteur à fibre optique qui peut être inséré dans une batterie en état de marche.
Les chercheurs ont ensuite gravé dans le capteur un réseau de Bragg à fibre et un interféromètre Fabry-Pérot. Lorsqu’il est éclairé avec la même lumière à large bande, le réseau réfléchit une longueur d’onde à bande étroite dépendant de la température, tandis que l’interféromètre reflète de multiples résonances qui dépendent de la pression. La même fibre permet donc aux chercheurs de suivre la pression et la température à l’intérieur des cellules lors d’un emballement thermique.
Ils ont ensuite placé le capteur dans des cellules commerciales au lithium fer phosphate entièrement chargées et simulé une surchauffe, constatant que les cellules chauffaient initialement rapidement avec une augmentation de pression relativement modeste. Cependant, une « épaule » a ensuite été atteinte, après quoi la température s’est stabilisée et la pression a commencé à augmenter rapidement. L’électrolyte était désormais entièrement vaporisé et les autres réactions, comme la décomposition chimique, étaient irréversibles. Les chercheurs ont montré que les fibres optiques avaient des effets minimes sur les performances de la cellule et suggèrent donc qu’elles pourraient être utilisées comme système d’alerte précoce pour éviter l’emballement thermique. Les capteurs n’ont pas non plus été endommagés par le processus d’emballement thermique.
Anna Stefanopoulou, de l’Université du Michigan, est enthousiasmée par l’article de Balsara. « J’aime beaucoup le travail montrant les courants internes et non mesurés ! elle dit. «Nous avons émis une hypothèse similaire concernant le courant interne entre cellules parallèles. Ces mesures sont très importantes.
Concernant le capteur capable de suivre la surchauffe, elle ajoute : « J’applaudis cet effort de recherche dans lequel de nouvelles détections informeront et amélioreront la gestion thermique et la sécurité. » Elle est cependant sceptique quant à l’utilité de cette technologie sur le terrain, arguant que la même pression et la même température peuvent être mesurées de l’extérieur avec suffisamment de précision et à bien moindre coût. « Bien que (les chercheurs) affirment que la fibre est peu coûteuse et peut faire partie de la fabrication standard, l’acquisition des données pourrait être une autre histoire », dit-elle.
Qingsong Wang de l’USTC et Tuan Guo de Jinan conviennent que « ce n’est pas bon marché », mais soutiennent qu’il s’agit d’une nouvelle technologie qui pourrait être optimisée et étendue à l’aide d’un interrogateur à puce.