Des chercheurs du laboratoire national d'Argonne du DOE ont démontré une nouvelle méthode utilisant la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN) pour caractériser l'évolution chimique à l'intérieur des cellules de batterie au fil des années de fonctionnement.
La technique caractérise la dégradation chimique des cellules de batterie de poche de qualité commerciale lorsqu'elles fonctionnent pendant de longues périodes.
La spectroscopie RMN s'appuie sur les propriétés magnétiques des noyaux atomiques pour étudier les environnements chimiques d'un échantillon. Un champ radiofréquence est appliqué à un échantillon immergé dans un champ magnétique puissant, ce qui provoque l’absorption d’énergie par l’échantillon. Le champ radiofréquence est ensuite supprimé et une sonde mesure l’énergie libérée lorsque les noyaux reviennent à leur état d’énergie inférieur.
Dans l’étude Argonne, les chercheurs ont développé et appliqué la technique de spectroscopie RMN pour observer le devenir des atomes de lithium dans des cellules à anode de silicium au fur et à mesure qu’ils étaient chargés et déchargés, puis laissés au repos pendant sept mois.
L'installation d'analyse, de modélisation et de prototypage de cellules d'Argonne a fabriqué les cellules en utilisant un processus comparable à la fabrication de batteries commerciales. L’équipe de recherche a découvert qu’une fois les cellules chargées, de nombreux atomes de lithium étaient piégés dans l’anode.
Pendant la décharge, les atomes de lithium sont restés dans l’anode sous forme de siliciures de lithium plutôt que d’être retirés et transportés vers la cathode. Les siliciures de lithium piégés se sont accumulés dans l'anode, épuisant la quantité totale de lithium disponible pour faire fonctionner les cellules et réagir avec l'électrolyte. Les molécules et les réactions piégées ont contribué à réduire la capacité de stockage d'énergie de la cellule.
L'équipe d'Argonne a également découvert que l'ajout d'un sel de magnésium à l'électrolyte diminuait la quantité de siliciures de lithium piégés. Ces résultats pourraient éclairer de nouvelles lignes de recherche visant à identifier différents additifs chimiques, formulations d'électrolytes et matériaux à base de silicium susceptibles de limiter la formation de siliciures de lithium piégés.
La nouvelle capacité RMN d'Argonne est disponible pour être utilisée par les chercheurs et les fabricants de batteries. L’un des principaux avantages de la spectroscopie RMN est qu’elle est très sensible au comportement des éléments légers comme le lithium, le silicium, le carbone et l’hydrogène, que d’autres méthodes de caractérisation ne peuvent pas facilement sonder. Cela signifie que les nouvelles méthodes RMN peuvent facilement être appliquées à d’autres technologies de batteries émergentes telles que les batteries sodium-ion et à semi-conducteurs. Ils peuvent également sonder le vieillissement d’autres composants de la batterie comme les cathodes et les électrolytes.
« L'application de la RMN aux batteries a été limitée jusqu'à présent », a déclaré Baris Key, chimiste d'Argonne et l'un des auteurs de l'étude. « Mais grâce à notre nouvelle capacité puissante, j'espère qu'elle deviendra le pain quotidien pour les chercheurs et les fabricants qui souhaitent sonder l'évolution à long terme de leurs batteries sans les ouvrir. Nous pouvons étudier des technologies déjà ou presque commercialisées.
La recherche a été soutenue par le Vehicle Technologies Office du DOE. Un article sur le sujet intitulé « Caractérisation Operando NMR des anodes de silicium nanoparticulaires cyclées et vieillies par calendrier pour les batteries Li-ion »a été publié dans le Journal of Power Sources. Outre Key et Wang, les auteurs incluent Marco Rodrigues, Sohyun Park et Fulya Dogan Key.
Source: Laboratoire National d'Argonne
