Comment les batteries Li-ion changent-elles de caractéristiques lorsqu'elles sont déchargées ?
L'université technique de Vienne a réussi à développer de nouveaux modèles qui permettent de décrire très précisément le comportement des batteries lithium-ion pendant le processus de charge et de décharge.
De la batterie de téléphone portable à la voiture électrique, les batteries lithium-ion font depuis longtemps partie de notre quotidien. Le prix Nobel de chimie a même été décerné en 2019 pour l'invention de telles batteries. Il est toutefois difficile de décrire avec précision les processus qui se déroulent dans les accumulateurs lithium-ion sur le plan technique. Comme l'a montré l'équipe de recherche en électrochimie de l'Université technique de Vienne, les propriétés des matériaux peuvent en effet changer radicalement pendant le processus de charge.
À l'aide de nombreuses expériences, l'équipe est parvenue à développer une description mathématique de ces changements qui soit utilisable dans la pratique. Il est ainsi possible de calculer comment la tension de la batterie varie en fonction de l'état de charge. Il est même désormais possible de déduire de l'extérieur des informations sur l'état interne du matériau des électrodes à partir du comportement électrique de la batterie.
Le processus de charge modifie le matériau
Les matériaux d'électrode qui contiennent des ions de lithium mobiles sont décisifs pour la construction d'une batterie lithium-ion. Au départ, chacun de ces ions est placé à l'endroit prévu dans l'une des deux électrodes, la batterie est complètement déchargée. Lorsque l'on applique une tension électrique, les ions de lithium chargés positivement commencent à se déplacer vers l'autre électrode, ils laissent des espaces vides dans le cristal.
Plus le nombre d'ions de lithium restants diminue, plus il faut appliquer des tensions élevées pour faire sortir les derniers ions du cristal, jusqu'à ce que, dans le cas idéal, tous les ions de lithium soient éliminés - l'accumulateur est alors complètement chargé.
"On peut utiliser pour cela différents matériaux contenant du lithium", explique Andreas Bumberger, le premier auteur de la publication actuelle, qui travaille sur sa thèse dans l'équipe du professeur Jürgen Fleig à l'Institut de technologies chimiques et d'analyse de l'université technique de Vienne.
On essaie souvent de décrire le mouvement des ions lithium dans de tels matériaux à l'aide d'un seul paramètre - le coefficient de diffusion. Mais l'équipe de l'université technique de Vienne a pu montrer que cela ne suffisait pas. "Après tout, le matériau change fondamentalement pendant la charge", explique Andreas Bumberger. "Nous commençons avec un cristal qui contient beaucoup de lithium, et à la fin, nous avons un cristal presque sans lithium. En conséquence, les propriétés du matériau changent aussi fortement". Il faut donc comprendre le processus de charge comme une modification dynamique du matériau.
Une voie médiane en or
Une possibilité pour cela serait de calculer l'évolution de la tension de la batterie au niveau atomique avec des formules de physique quantique - par exemple à l'aide de la théorie de la fonctionnelle de la densité. Mais cela n'est que partiellement utile dans la pratique, si l'on veut mieux comprendre les matériaux des batteries. De tels calculs sont très coûteux, et il est en outre difficile d'établir de cette manière une relation simple entre la tension et les différents défauts des matériaux.
L'équipe de recherche de l'université technique de Vienne a donc tenté une voie médiane : elle a développé un modèle qui, d'une part, ne se contente pas de décrire les matériaux avec un seul paramètre, mais tient compte de la transformation continue du matériau lors du processus de charge, et qui, d'autre part, est plus simple et plus clair qu'une description de physique quantique du matériau au niveau atomique.
Un regard dans le matériau, sans microscope
"Comme nous le montrons dans notre dernier article, notre modèle s'adapte parfaitement aux données que nous avons obtenues par des mesures de spectroscopie d'impédance", explique Andreas Bumberger. "Nous analysons comment le comportement électrique de l'accumulateur évolue à mesure que son état de charge change. Et à partir des données mesurées, nous pouvons, à l'aide de notre modèle, obtenir des informations précieuses sur les processus atomiques lors de la charge".
Il est ainsi possible de voir quel type de défauts le matériau présente, s'il y a peut-être de mauvais atomes à certains endroits ou si le réseau cristallin présente certaines irrégularités - et tout cela sans regarder à travers un microscope, uniquement sur la base de mesures électriques. "Cela nous facilite considérablement la recherche fondamentale sur de nouvelles batteries", explique le professeur Fleig. "C'est une étape importante pour la compréhension de nombreux matériaux qui joueront également un grand rôle à l'avenir dans le développement des accumulateurs".
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Allemand peut être trouvé ici.
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