BAM identifie les isotopes du lithium comme outil de diagnostic pour le vieillissement des batteries
Des chercheurs de l’Institut fédéral pour la recherche et les essais des matériaux ont découvert que la répartition de deux isotopes du lithium dans les cellules est directement liée aux processus de dégradation, comme une empreinte digitale. Cette découverte vise à aider à mieux comprendre les mécanismes de vieillissement des batteries.
Image symbolique : Une batterie haute tension typique pour voitures électriques.
Bild : Stellantis
La durée de vie des batteries lithium-ion est limitée par des processus d’âgissement complexes, dont les causes sont souvent difficiles à distinguer. Des chercheurs du BAM ont démontré que l’analyse des isotopes de lithium présents dans les cellules peut fournir des informations précieuses, comme ils l’expliquent dans un article publié dans la revue _ACS Energy Letters_.
Plus précisément, l’équipe dirigée par Carlos Abad et Beatrice Battistella a utilisé la répartition de deux isotopes de lithium au sein d’une cellule comme outil diagnostique pour les processus d’âgissement. La découverte clé : « Leurs traces et leurs motifs caractéristiques fournissent une empreinte des mécanismes de dégradation sous-jacents », indique un communiqué de presse du BAM.
Le contexte est que de multiples processus complexes au sein de la batterie contribuent à sa dégradation. « Jusqu’à présent, le défi consistant à identifier clairement ces mécanismes de vieillissement et à les distinguer les uns des autres reste non résolu. Bien que les méthodes de diagnostic conventionnelles montrent qu’une batterie vieillit, elles fournissent souvent uniquement des informations limitées sur le moment, l’endroit et le mécanisme par lequel la dégradation est déclenchée », a expliqué l’Institut fédéral de recherche et d’évaluation des matériaux (BAM).
La méthode nouvellement développée tire parti du fait que le lithium naturel se compose de deux isotopes : le lithium-6 et le légèrement plus lourd lithium-7. Il s’agit de variantes du même élément chimique présentant un nombre différent de neutrons, comme l’explique l’équipe de recherche. Dans les nouvelles batteries, ces deux isotopes du lithium sont répartis dans les mêmes proportions que dans toutes les occurrences naturelles de ce métal alcalin, à savoir 2,4 % pour le lithium-6 et 97,6 % pour le lithium-7.
Les chercheurs ont examiné en particulier une batterie au lithium dont la cathode était constituée d’oxyde de lithium-nickel-manganèse-cobalt et l’anode de graphite. Selon les scientifiques, le lithium-6 a commencé à s’accumuler de manière préférentielle à l’anode dès les premiers cycles de charge. Après 280 cycles supplémentaires, cet effet s’est intensifié, tandis que la cathode présentait une teneur significativement plus élevée en lithium-7. En même temps, la capacité des cellules a diminué.
Selon BAM, la détection a été rendue possible grâce à une forme de spectrométrie de masse à haute résolution, qui a permis de déterminer la distribution des isotopes de lithium couche par couche sur toute la profondeur des électrodes. Les recherches ont été menées en collaboration avec Nu Instruments Ltd. au Royaume-Uni et l’Institut Leibniz pour la recherche sur les matériaux solides de Dresde (IFW Dresden).
« La distribution des isotopes de lithium fournit ainsi des informations directes sur les processus de vieillissement des batteries au lithium-ion. Ces isotopes agissent comme des marqueurs naturels. Leur répartition permet de comprendre les mécanismes qui contrôlent le mouvement du lithium pendant le fonctionnement de la batterie et les endroits où se produisent des changements », a déclaré Beatrice Battistella. Les chercheurs ont également pu démontrer que ces traces sont étroitement liées à la perte de capacité des batteries.
Pour BAM, l’importance des résultats réside principalement dans leurs applications potentielles pour des mesures précises : au lieu de détecter le vieillissement uniquement par perte de capacité, il pourrait à l’avenir être suivi bien plus tôt en se basant sur les traces laissées par les isotopes de lithium dans la cellule de batterie. « Cela permet une compréhension plus précise des mécanismes de vieillissement et est finalement essentiel pour améliorer les batteries de manière plus ciblée et prédire avec plus de précision leur durée de vie », conclut l’institut.