Une manière surprenante de relancer la performance des batteries
La première charge détermine la durée de vie des batteries lithium-ion
La toute première charge d'une batterie lithium-ion est plus importante qu'il n'y paraît. Elle détermine l'efficacité et la durée de fonctionnement de la batterie à partir de ce moment-là - en particulier, le nombre de cycles de charge et de décharge qu'elle peut supporter avant de se détériorer.
La première charge des batteries lithium-ion à des courants élevés avant leur sortie d'usine est 30 fois plus rapide et augmente leur durée de vie de 50 %.
Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
Dans une étude publiée dans Joule, des chercheurs du SLAC-Stanford Battery Center rapportent que le fait de donner aux batteries cette première charge à des courants exceptionnellement élevés a augmenté leur durée de vie moyenne de 50 % tout en réduisant le temps de charge initial de 10 heures à seulement 20 minutes.
Fait tout aussi important, les chercheurs ont pu utiliser l'apprentissage automatique scientifique pour mettre en évidence les changements spécifiques dans les électrodes des batteries qui expliquent cette augmentation de la durée de vie et des performances - des informations précieuses pour les fabricants de batteries qui cherchent à rationaliser leurs processus et à améliorer leurs produits.
L'étude a été réalisée par une équipe SLAC/Stanford dirigée par le professeur Will Chueh, en collaboration avec des chercheurs du Toyota Research Institute (TRI), du Massachusetts Institute of Technology et de l'université de Washington. Ce projet s'inscrit dans le cadre de la recherche sur le développement durable du SLAC et d'un effort plus large visant à réimaginer notre avenir énergétique en s'appuyant sur les outils et l'expertise uniques du laboratoire, ainsi que sur des partenariats avec l'industrie.
"Il s'agit d'un excellent exemple de la manière dont le SLAC utilise la science manufacturière pour rendre plus abordables les technologies essentielles à la transition énergétique", a déclaré M. Chueh. "Nous résolvons un problème réel auquel l'industrie est confrontée et, ce qui est essentiel, nous nous associons à l'industrie dès le départ.
Cette étude est la dernière d'une série d'études financées par TRI dans le cadre d'un accord de recherche coopérative avec le SLAC National Accelerator Laboratory du ministère de l'énergie.
Les résultats ont des implications pratiques pour la fabrication non seulement des batteries lithium-ion pour les véhicules électriques et le réseau électrique, mais aussi pour d'autres technologies, a déclaré Steven Torrisi, chercheur principal au TRI qui a collaboré à la recherche.
"Cette étude est très intéressante pour nous", a-t-il déclaré. "La fabrication des batteries est extrêmement gourmande en capital, en énergie et en temps. Il faut beaucoup de temps pour lancer la fabrication d'une nouvelle batterie, et il est vraiment difficile d'optimiser le processus de fabrication en raison du grand nombre de facteurs qui entrent en jeu".
Selon M. Torrisi, les résultats de cette recherche "démontrent une approche généralisable permettant de comprendre et d'optimiser cette étape cruciale de la fabrication des batteries. En outre, nous pourrions être en mesure de transférer ce que nous avons appris à de nouveaux processus, installations, équipements et chimies de batteries à l'avenir".
Une "couche molle" essentielle à la performance de la batterie
Pour comprendre ce qui se passe pendant le cycle initial de la batterie, l'équipe de M. Chueh construit des cellules à poche dans lesquelles les électrodes positives et négatives sont entourées d'une solution électrolytique où les ions lithium se déplacent librement.
Lorsqu'une batterie se charge, les ions lithium s'écoulent dans l'électrode négative pour y être stockés. Lorsqu'une batterie se décharge, ils ressortent et se dirigent vers l'électrode positive, ce qui déclenche un flux d'électrons pour alimenter les appareils, des voitures électriques au réseau électrique.
L'électrode positive d'une nouvelle batterie est remplie à 100 % de lithium, explique Xiao Cui, chercheur principal de l'équipe informatique des batteries dans le laboratoire de M. Chueh. Chaque fois que la batterie passe par un cycle de charge-décharge, une partie du lithium est désactivée. Minimiser ces pertes permet de prolonger la durée de vie de la batterie.
Curieusement, l'un des moyens de minimiser la perte globale de lithium consiste à perdre délibérément un pourcentage important de la réserve initiale de lithium lors de la première charge de la batterie, a expliqué M. Cui. C'est comme si l'on faisait un petit investissement qui rapporterait beaucoup plus tard.
Cette perte de lithium au cours du premier cycle n'est pas vaine. Le lithium perdu est intégré à une couche molle appelée interphase d'électrolyte solide (SEI), qui se forme à la surface de l'électrode négative lors de la première charge. En retour, l'interphase électrolytique solide protège l'électrode négative des réactions secondaires qui accéléreraient la perte de lithium et dégraderaient la batterie plus rapidement au fil du temps. Il est si important d'obtenir un SEI parfait que la première charge est connue sous le nom de charge de formation.
"La formation est la dernière étape du processus de fabrication", explique M. Cui. "Si elle échoue, toute la valeur et tous les efforts investis dans la batterie jusqu'à ce moment-là sont perdus."
Un courant de charge élevé stimule les performances de la batterie
Les fabricants chargent généralement les nouvelles batteries pour la première fois avec des courants faibles, en partant du principe que cela créera la couche SEI la plus robuste. Mais il y a un inconvénient : La charge à faible courant prend du temps, est coûteuse et ne donne pas nécessairement des résultats optimaux. Aussi, lorsque des études récentes ont suggéré qu'une charge plus rapide avec des courants plus élevés ne dégradait pas les performances de la batterie, il s'agissait d'une nouvelle enthousiasmante.
Mais les chercheurs ont voulu aller plus loin. Le courant de charge n'est qu'un des dizaines de facteurs qui entrent en jeu dans la formation du SEI au cours de la première charge. Tester toutes les combinaisons possibles en laboratoire pour déterminer celle qui fonctionne le mieux est une tâche écrasante.
Pour réduire le problème à une taille gérable, l'équipe de recherche a utilisé l'apprentissage automatique scientifique pour identifier les facteurs les plus importants pour obtenir de bons résultats. À leur grande surprise, seuls deux d'entre eux - la température et le courant de charge de la batterie - se sont démarqués de tous les autres.
Les expériences ont confirmé que la charge à des courants élevés a un impact considérable, augmentant de 50 % la durée de vie de la batterie moyenne testée. Cette méthode désactive également un pourcentage beaucoup plus élevé de lithium au départ - environ 30 %, contre 9 % avec les méthodes précédentes - mais cela s'est avéré avoir un effet positif.
Selon M. Cui, retirer plus d'ions lithium en amont est un peu comme retirer de l'eau d'un seau plein avant de le transporter. L'espace libre supplémentaire dans le seau réduit la quantité d'eau qui s'écoule en cours de route. De la même manière, la désactivation d'un plus grand nombre d'ions lithium pendant la formation du SEI libère de l'espace dans l'électrode positive et permet à l'électrode d'effectuer un cycle plus efficace, améliorant ainsi les performances ultérieures.
"L'optimisation par essais et erreurs est une pratique courante dans la fabrication : comment effectuer la première charge et quelle est la combinaison gagnante de facteurs ? explique M. Chueh. "Ici, nous ne voulions pas seulement identifier la meilleure recette pour fabriquer une bonne batterie ; nous voulions comprendre comment et pourquoi elle fonctionne. Cette compréhension est cruciale pour trouver le meilleur équilibre entre les performances de la batterie et l'efficacité de la fabrication".
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 Anglais peut être trouvé ici.
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