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Nouvelles possibilités de surveillance de l'état de santé des batteries

Les batteries sont dorénavant essentielles dans notre monde actuel et un des principaux défis à ce sujet est de faire des batteries « propres ». Depuis quelques années, différentes recherches ont été mise en évidence permettant de faire des estimations précises des états de charge et de santé des batteries. Dans ce contexte, les capteurs à fibre optique ont fait leur apparition dans le monde des batteries en raison de leurs nombreux avantages. Leurs capacités techniques leur permettent d’être des candidats prometteurs pour l’étude de la dégradation des électrolytes. Parmi ces fibres optiques, les capteurs à réseau de Bragg sur fibre (FBG) ont déjà été capables de surveiller la température et la pression dans des conditions réelles lorsque placés dans une batterie. Cependant, dans une telle configuration, la lumière est confinée à l'intérieur du cœur de la fibre et ne permet pas d’avoir de nombreuses résonances, empêchant une interaction avec son environnement.

Dans un article récent, Huang et al., une équipe internationale du CSE (Chimie du solide et de l’énergie) ont surmonté ce défi et développé une technique operando pour suivre l’état de l’électrolyte dans des conditions de travail réelles. En effet, en inclinant le plan de réseau des FBGs, les auteurs ont obtenu un autre sensor, le TFBG pour réseau de Bragg à fibre inclinée. Contrairement aux FBGs, les TFBGs sont sensibles à l'indice de réfraction (IR) environnant, leur permettant d'avoir des applications réelles dans la détection (bio-)chimique et leur apparition dans le domaine de l'électrochimie, comme les supercondensateurs.

Sur cette image : Spectres TFBG complets (a) et agrandis (b, rectangle pointillé en a) sélectionnés dans un électrolyte. Les changements d'amplitude des modes de fuit[HC1] e ainsi que les décalages de longueur d'onde des modes de gaine guidés [HC2] sont clairement visibles, ce qui implique la variation de l'IR de l'électrolyte lors du processus de charge.

Comme preuve de concept, l'étude a été réalisée sur l'électrochimie des cellules sodium-ion 18650 Na3V2(PO4)2F3/carbone dur (NVPF/HC) contenant différentes combinaisons d'électrolytes. Pour calibrer la sensibilité du TFBG en fonction de son indice de réfraction, le capteur a été immergé dans des solutions de saccharose ayant différentes concentrations (de 0 à 50 % en poids) et donc différents indices de réfraction. Les auteurs ont démontré comment un seul TFBG est capable de surveiller simultanément la température et l'indice de réfraction à l'intérieur de la batterie, ce qui permet de distinguer les voies de décomposition de l'électrolyte. En outre, cette étude a permis, pour la première fois, d'accéder à la turbidité des électrolytes, qui pourrait être utilisée pour suivre la détérioration de l'électrolyte. Enfin, les signaux d'indice de réfraction et de turbidité recueillis ont montré des corrélations linéaires avec la perte de capacité des cellules.

Ces résultats démontrent une méthode plus simplifiée, explicite et reproductible pour mesurer l’indice de réfraction que leurs prédécesseurs. De plus, en évaluant la turbidité des électrolytes ainsi que l’identification des voies de réactions (électro)-chimiques au cours de la formation des SEI, les TFBGs sont en phase avec les derniers développements de la technologie des batteries. Enfin, en généralisant la méthodologie à quelques formules d'électrolyte, les auteurs fournissent de nouvelles données à l'intelligence artificielle pour mieux comprendre et prédire le vieillissement des cellules.

L’étude et ses conclusions sont à retrouver en détail ici.

Concernant l’auteur :

Dr. Jiaqiang Huang est un post-doc du laboratoire CSE (Collège de France, Paris), dédié aux capteurs de batteries et le démêlage des événements thermiques et chimiques à l'intérieur des batteries. Après une formation (Licence, Master et Doctorat) en Génie Mécanique à l’Université de Shangai Jiao Tong et l’Université des Sciences et Techniques de Hong Kong pour le Doctorat, Jiaqiang eu une première expérience de post-doc sur des anodes à microparticules pour les batteries Na- et K-ion à l’Université Polytechnique de Hong-Kong, à la suite de laquelle il rejoignit le Collège de France en 2018. Dans le cadre du RS2E, Jiaqiang a publié trois articles en premier auteur dans Nature Energy, Journal of Electrochemical Society, et Energy & Environmental Science et il travaille encore sur deux autres articles qui sortiront bientôt. Il est aussi l’auteur de quatre brevets mis en place au sein du RS2E. Avec son post-doc se terminant la semaine prochaine, Jiaqiang a déjà de nouveaux projets tel que la création de son propre groupe (https://antngg.wixsite.com/my-site) à l'université des Sciences et Technologies de Hong Kong (Guangzhou) en tant que professeur adjoint à partir de janvier 2022. Il poursuivra la recherche sur les capteurs de batterie en faisant converger l'électrochimie, l'optique et la science des données pour améliorer les batteries en termes de sécurité, de fiabilité, de prévisibilité et de performance.

De cette expérience au sein du RS2E, Jiaqiang Huang en retiendra : « Je suis très fier d'être membre du RS2E et il est toujours agréable et stimulant de discuter de la science avec les membres du RS2E. »