Comment surveiller les contraintes mécaniques dans les batteries ?
Les batteries rechargeables lithium-ion (LIBs) sont LA technologie du 21ème siècle. Leurs excellentes performances dans diverses applications les rendent indispensables dans un large éventail d'industries stratégiques. Cependant, il reste encore des améliorations à apporter en termes de densité énergétique, de taux de puissance, de durée de vie, de sécurité et d'empreinte environnementale. La compréhension de la relation entre les effets chimico-mécaniques et les performances des batteries devient cruciale, en particulier pour les batteries tout-solides (ASSB) où la contrainte est transmise à travers le dispositif et n'est plus tamponnée comme par les électrolytes liquides.
Inspirés par l'utilisation de fibres optiques intégrées avec des capteurs à réseau de Bragg (FBG) dans de grandes structures composites (comme les ponts, les chemins de fer et les avions) pour la surveillance de la santé des structures, Laura Albero et al. ont étendu cette approche du génie civil au domaine des batteries dans un article récent publié dans Nature Communications. En utilisant des capteurs FBG, ils ont effectué un suivi opératif des changements de contraintes internes induits par le Li dans des batteries contenant des électrolytes liquides ou solides.
Dans un premier temps, ils se sont concentrés sur les piles à électrolytes liquides utilisant le silicium comme électrode d'étude, dont le volume augmente jusqu'à 280% lorsqu'elles sont entièrement lithiées. Leurs résultats montrent que les capteurs FBG peuvent suivre le mécanisme de lithiation dans des électrodes contenant des micro-Si ou des nano-Si, mettant en évidence leurs différences et révélant l'importance de la porosité pour tamponner les changements de volume au niveau de l'électrode.
Dans la seconde partie, les auteurs ont exploré l'application de cette nouvelle technique aux batteries tout-solide. En effet, en suivant la variation du signal de longueur d'onde optique (ΔλB) pendant le cyclage, et en la convertissant en variations de contraintes (Δσ), les chercheurs ont pu accéder quantitativement aux contraintes locales induites par le Li au niveau de l'électrode, ce qui n'a jamais été réalisé jusqu'à présent dans les ASSB avec des capteurs de force externes.
Sur la figure : Schéma de la cellule à pièces modifiée avec la fibre optique implémentée et le capteur de force externe dans une cellule InLix | LPS | LTO avec le capteur FBG intégré dans l'anode. Les résultats montrent la surveillance operando de la contrainte induite par le Li pendant un cycle galvanostatique à C/30. Pour tous les spectres enregistrés, on observe un seul pic de longueur d'onde de Bragg, dont le maximum (λB) se déplace progressivement vers la droite vers des valeurs plus élevées lors de la charge (courbes bleu clair) et revient vers la gauche lors de la décharge (courbes violettes), révélant ainsi la grande réversibilité mécanique du système.
Enfin, pour prouver la valeur ajoutée de cette approche, les chercheurs ont évalué en interne le stress survenant au niveau de l'électrode dans des cellules symétriques tout-solides où les capteurs de force externes étaient totalement aveugles pour surveiller toute variation de stress, soulignant ainsi les avantages offerts par la surveillance interne plutôt qu'externe du stress dans les batteries solides.
En résumé, les résultats présentés dans ce travail visent à fournir un nouvel outil de caractérisation pour expliquer le phénomène de défaillance dans les batteries, tout en rapprochant les scientifiques et les ingénieurs de domaines multidisciplinaires pour faciliter le développement de nouvelles conceptions d'électrodes et de batteries.
L'étude et ses conclusions peuvent être consultées en détail ici.
Laura Albero Blanquer est actuellement doctorante au CSE au sein du Collège de France sous la direction de Jean-Marie Tarascon. Après une licence en Nanoscience et Nanotechnologie à l'Universitat Autònoma de Barcelona (UAB), Laura s'est intéressée aux nanomatériaux pour les applications de stockage d'énergie. C'est pourquoi elle a rejoint le programme de master MESC, où elle a eu l'occasion d'étudier à Toulouse, Varsovie, Amiens et Göteborg. Enfin, elle a réalisé son stage de fin d’étude à Göteborg, à l'Université de technologie de Chalmers, sous la supervision du professeur Patrik Johansson et en collaboration avec la société Insplorion AB.
Sa thèse sur la détection optique dans les batteries lui permet de se concentrer sur le développement de techniques de détection utilisant des capteurs commerciaux à réseau de Bragg en fibre (FBG). Elle vise ainsi la surveillance opérationnelle de paramètres physiques tels que la température, la pression hydraulique et le stress, qui sont essentiels pour améliorer les performances des batteries. Actuellement entièrement concentrée sur la rédaction de sa thèse de doctorat, Laura n'a pas encore décidé si son futur sera dans le monde universitaire ou industriel. Cependant, par le travers de cette thèse, elle a apprécié le fait de faire une recherche fondamentale sur des problèmes technologiques concrets.
Après une concept proof aussi prometteuse pour utiliser les capteurs FBG comme nouvel outil opératif pour surveiller l'évolution des contraintes, le prochain défi est de l'appliquer à des problèmes pratiques dans les batteries, comme l'étude des cathodes en couches dans les batteries tout-solides. De plus, étant donné que la faisabilité de l'utilisation des capteurs FBG pour effectuer une calorimétrie optique dans les piles 18650 Na-ion a été signalée en 2020, un autre projet en cours vise à généraliser cette approche à d'autres configurations et chimies de piles telles que les piles Li-ion à poche, en ciblant les batteries commerciales.
Bien que non financé par le RS2E, Laura a eu l'occasion de présenter ses travaux au sein du RS2E et d'échanger des données scientifiques avec des partenaires industriels et universitaires du réseau. C'est pourquoi elle a qualifié cette expérience de "riche et instructive". A son acquis, Laura est auteur ou co-auteur de cinq articles principalement dans le domaine de la détection et de la surveillance des batteries et de plus a collaboré à des sujets tels que les batteries tout-solides et l'autoréparation. Enfin, deux autres manuscrits liés à son travail de doctorat sont en préparation.