Comment les batteries respirent-elles?

Grâce à l'imagerie neutronique, il est possible d'observer en temps réel les batteries du futur. 

Le développement de dispositifs technologiques tels que les voitures électriques et les appareils connectés se déroule sous nos yeux à une vitesse presque vertigineuse. Pour répondre au besoin de batteries légères, portables et performantes, l'innovation est constante dans ce domaine. Les batteries basées sur les éléments chimiques lithium et soufre (Li-S) comptent parmi les candidats les plus prometteurs pour la prochaine génération, principalement grâce à leur capacité à supporter des cycles de charge et décharge rapides.

Les principaux composants d'une batterie sont deux électrodes (cathode et anode) et une solution de particules chargées, appelée électrolyte. Cette solution permet le transfert des électrons entre les deux électrodes, ce qui alimente les cycles de charge et décharge de la batterie. Dans le cas des batteries Li-S, ce sont les particules de lithium qui sont responsables de la production d'énergie. Une faible teneur en lithium (appelée « conditions d'électrolyte pauvre ») est essentielle pour optimiser la densité d'énergie de la batterie, c'est-à-dire la quantité d'énergie qu'elle peut stocker dans un volume donné. Malheureusement, faire fonctionner les batteries dans ces conditions accélère également le dessèchement de la solution électrolytique, ce qui conduit souvent à une réduction de la durée de vie de la batterie.

Un autre facteur crucial qui influence les performances des batteries Li-S est la couverture (également appelée « mouillage ») de l'intérieur de la batterie par la solution électrolytique. Le mouillage est essentiel car les réactions électrochimiques qui alimentent la batterie se produisent principalement à l'interface entre ses composants et la solution. Un mouillage insuffisant augmente donc le risque de défaillance de la cellule.

Pour surmonter ces défis et optimiser la conception des futures générations de batteries, il est indispensable de comprendre en détail la distribution de l'électrolyte à l'intérieur des batteries Li-S. "L'imagerie neutronique est la technique idéale pour de telles recherches », explique Yan Lu, la chercheuse principale d'une étude récemment publiée dans la revue Advanced Energy Materials. "Pour cet article, nous avons observé le mouillage de l'électrolyte dans des cellules Li-S pendant que nous chargions et déchargions les batteries de manière répétée." Ces expériences, connues sous le nom d'imagerie neutronique opérando, ont été réalisées sur l'instrument NeXT de l'ILL.

L'équipe de Yan Lu a pu visualiser la distribution de la solution électrolytique à travers les différentes couches des batteries Li-S. Leurs résultats ont révélé une distribution inégale de la solution, ce qui a une incidence sur les performances de la batterie. Avant le début des cycles de charge et de décharge, ils ont observé plusieurs zones non recouvertes par la solution. Fait important, les cycles de charge et de décharge ont considérablement amélioré le mouillage global. « Nous avons notamment remarqué que ce mouillage se produisait de manière périodique, comme si la batterie inspirait et expirait la solution », souligne Yan Lu.

« L'imagerie neutronique est une sonde particulièrement adaptée à ce type d'étude en raison de sa sensibilité aux éléments tels que le lithium et l'hydrogène », explique Lukas Helfen, l'un des responsables de l'instrument NeXT. Ces éléments, qui jouent un rôle crucial dans les batteries, sont en effet très difficiles à analyser avec d'autres techniques. Cette étude, qui constitue la première analyse opérando de batteries à électrolyte pauvre, illustre de manière significative les avantages uniques de l'imagerie neutronique dans la recherche appliquée visant à développer les technologies du futur.