Industrie&Technologies : Quelle est la problématique à l’origine de vos travaux pour suivre la chimie en temps réel dans une batterie commerciale, et publiés le 7 novembre 2022 dans Nature Energy ?
Charlotte Gervillié-Mouravieff : Pour bien comprendre la problématique, il faut savoir que le fonctionnement d’une batterie est extrêmement lié à la chimie qui se déroule à l’intérieur, entre les électrodes positive et négative, et l’électrolyte. Ces derniers interagissent soit pour stocker de l’énergie, soit pour la redonner. En plus de ces réactions électrochimiques de base, d’autres réactions électrochimiques se déroulent à l’intérieur de la batterie : par exemple, lorsque la batterie est utilisée pour la première fois, une partie de l’électrolyte réagit avec l’électrode négative pour former une couche à la surface de l’électrode négative, appelée SEI pour Solid-Electrolyte Interphase.
Cette SEI est très importante car elle protège l’électrode négative, et permet donc d’avoir des batteries capables de supporter un grand nombre de cycles de charges et de décharges. Cependant, même si en laboratoire, nous pouvons maîtriser ces réactions et comprendre ce qui se produit à l’intérieur de nos batteries, les batteries commerciales, elles, sont de vraies boîtes noires, et on ne sait pas comment évolue la chimie à l’intérieur. Des premières études ont donc été menées avec des fibres optiques en silice, qui sont les fibres optiques classiques des télécoms permettant de transmettre de la lumière d’ondes du visible. Grâce à des capteurs inscrits dans ces fibres optiques, les chercheurs ont mesuré la pression, la température et la contrainte à l’intérieur de la batterie mais il manquait toujours les informations sur la chimie.
Comment avez-vous réussi à résoudre ce problème ?
Nous avons décidé de changer le type de fibre optique utilisé. Nous nous sommes intéressés aux fibres en verre de chalcogénure, fabriquées à l’Institut des sciences chimiques de Rennes. Ces fibres ont l’avantage d’être transparentes dans les longueurs d’ondes de l’infrarouge. Or la lumière infrarouge est extrêmement utile pour l’étude de la chimie des batteries car elle peut interagir avec l’électrolyte et les matériaux de l’électrode positive ou négative. En effet, les longueurs d’ondes infrarouges peuvent être absorbées par les molécules selon l’arrangement des atomes entre eux.
En étudiant la différence entre la lumière émise d’un bout de la fibre et transmise à l’autre bout on peut observer quelle énergie infrarouge a été absorbée et en quelle quantité et ainsi remonter à la nature des espèces chimiques et leur concentration. Et le phénomène est le même pour les matériaux de l’électrode : l’énergie infrarouge dépend de la quantité de lithium dans le matériau. C’est une véritable avancée car nous sommes pour la première fois capables de connaître la chimie de la batterie en temps réel pendant la charge et la décharge, et cela pendant toute la vie de la batterie.
Frédérique PLAS / CSE / CNRS Photothèque Sur cette image, la batterie est traversée par une fibre optique en verre de chalcogénure, qui permet de suivre l'évolution des molécules chimiques présentes à l'intérieur. © Frédérique Plas / CSE / CNRS Photothèque
Concrètement, comment cette nouvelle technologie pourrait-elle être implémentée dans les batteries ?
Concrètement, la fibre optique est reliée à une source infrarouge qui va se focaliser à l’intérieur de cette fibre. Elle traverse ensuite la cellule de la batterie, soit à travers le matériau, soit à travers l’électrolyte, et est récupérée en sortie par un détecteur qui analysera le signal. Pour être tout à fait précis, ce détecteur mesure le phénomène d’onde évanescente. Ce dernier se produit à l’interface entre une fibre optique et un médium extérieur : c’est en fait une toute partie de la lumière, qui va légèrement sortir de la fibre, interagir avec tout ce qui se trouve dans son environnement proche avant de repartir dans la fibre.
Quelles en sont les potentielles applications ?
Dans un premier temps, cette technologie pourrait être utilisée par les industriels pour étudier les tout premiers cycles de charges et décharges, très importants pour la formation de la SEI, dans des prototypes avant industrialisation par exemple. En effet, pour le moment, les fibres en verre de chalcogénure sont beaucoup moins utilisées commercialement que les fibres de silice, sont aussi plus chères et nécessitent la mise en place d’un équipement plus compliqué à l’intérieur et à l’extérieur de la batterie.
Mais si l’on rêve un peu, l’idée serait d’avoir ces fibres optiques incluses dans les batteries de nos véhicules et de pouvoir les suivre tout au long de leur utilisation. On pourrait ainsi mieux connaître leur vieillissement pour pouvoir leur donner une seconde vie (dans le stockage des énergies renouvelables par exemple) ou encore mieux les recycler. Et surtout, cela apporterait des données essentielles pour concevoir de nouvelles batteries qui durent plus longtemps.
