BAM identifie les isotopes du lithium comme outil de diagnostic pour évaluer le vieillissement des batteries.
Des chercheurs de l’Institut fédéral pour la recherche et les essais sur les matériaux ont découvert que la répartition de deux isotopes du lithium dans les cellules, semblable à une empreinte digitale, est directement liée aux processus de dégradation. Cette découverte devrait aider à mieux comprendre les mécanismes de vieillissement des batteries.
Image symbolique : Une batterie haute tension typique pour les voitures électriques.
Image : Stellantis
La durée de vie des batteries au 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 la BAM ont pu démontrer qu’il est utile d’examiner plus en détail les isotopes de lithium présents dans les cellules, comme ils l’expliquent dans un article paru dans la revue spécialisée ACS Energy Letters.
Plus précisément, l’équipe menée par Carlos Abad et Beatrice Battistella a utilisé la répartition de deux isotopes de lithium au sein d’une cellule comme outil de diagnostic des processus de vieillissement. La principale conclusion est la suivante : « Leurs traces et motifs caractéristiques fournissent une empreinte des mécanismes de dégradation sous-jacents », indique un communiqué de la BAM.
Le contexte est que, à l’intérieur de la batterie, plusieurs processus complexes sont responsables de 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 traditionnelles montrent bien qu’une batterie vieillit, elles fournissent souvent uniquement des informations limitées sur le moment, le lieu et le mécanisme qui provoquent la dégradation », décrit l’Office fédéral la situation actuelle.
La méthode nouvellement développée tire parti du fait que le lithium naturel est composé des deux isotopes lithium-6 et lithium-7, légèrement plus lourd. Il s’agit de variantes du même élément chimique présentant un nombre différent de neutrons, selon l’équipe de recherche. Dans les nouvelles batteries, ces deux isotopes de lithium sont répartis comme dans toutes les occurrences naturelles de ce métal alcalin, c’est-à-dire dans un rapport de 2,4 % pour le lithium-6 et 97,6 % pour le lithium-7.
Plus précisément, les chercheurs ont étudié une batterie au lithium dotée d’une cathode en oxyde de nickel-manganèse-cobalt-lithium (NMC) et d’une anode en graphite. Dès les premiers cycles de charge, le lithium-6 s’est accumulé de préférence à l’anode, selon les scientifiques. Après 280 cycles supplémentaires, cet effet s’est intensifié, tandis que la cathode présentait des taux de lithium-7 nettement plus élevés. En même temps, la capacité des cellules a diminué.
D’après la BAM, cette démonstration a été rendue possible grâce à une forme haute résolution de la spectrométrie de masse, qui a permis de déterminer en couches la répartition des isotopes de lithium sur toute la profondeur des électrodes. Les recherches ont été menées en collaboration avec Nu Instruments Ltd. au Royaume-Uni ainsi qu’avec l’Institut Leibniz pour la recherche sur les matériaux solides de Dresde (IFW Dresden).
« La répartition des isotopes de lithium fournit ainsi des informations directes sur les processus de vieillissement dans les batteries au lithium-ion. Ces 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 surviennent », résume Beatrice Battistella. Les chercheurs ont également pu démontrer que ces traces sont étroitement liées à la perte de capacité des batteries.
Pour la BAM, l’importance des résultats réside principalement dans leurs possibilités d’application pour des mesures précises : au lieu de détecter le vieillissement uniquement à travers la perte de capacité, il deviendra possible à l’avenir de le suivre 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 ciblée et prédire plus exactement leur durée de vie », conclut le texte.