«Voir» à l'intérieur d’une batterie n’était pas une réalité, avant que Charlotte Gervillié-Mouravieff, Jean-Marie Tarascon et son équipe ne s’y attellent. L’équipe multidisciplinaire, composée de scientifiques du Collège de France, du CNRS et des universités Rennes 1 et de Montpellier, a mis au point une méthode pour suivre, en direct, le déroulement de la chimie à l’intérieur des batteries commerciales, dévoilée dans la revue Nature Energy.
«Le fonctionnement des batteries dépend des réactions électrochimiques qui se déroulent aux interfaces entre les deux électrodes et l’électrolyte, explique Charlotte Gervillié-Mouravieff. Des études avaient déjà été faites en utilisant des fibres optiques classiques en silice, qui permettent de mesurer des paramètres comme la température, mais qui ne renseignaient pas sur les réactions chimiques.» L'étude de ces dernières est cependant essentielle pour estimer la longévité des batteries.
Afin de contourner ce problème, les chercheurs se sont intéressés à un autre matériau de fibre optique, les chalcogénures (colonne du tableau périodique dont font partie le soufre et le sélénium). «Ces fibres optiques sont transparentes à l’infrarouge, ce qui permet d’étudier la chimie des batteries par spectroscopie infrarouge», ajoute la post-doctorante au Collège de France.
Suivre le niveau de lithium
Quand une batterie lithium-ion se décharge, le lithium est progressivement transféré depuis l'électrode positive, une lithium-fer-phosphate (LFP), vers l’électrode négative, en graphite. Un phénomène que les chercheurs ont pu observer grâce à leur fibre optique. Ils ont également pu étudier l'interface entre l'électrode négative et l'électrolyte, aussi déterminante pour la longévité, qui s'appelle la Solid Electrolyte Interface (SEI). Pour quelles applications? «Suivre l’état de charge des batteries commerciales, car aujourd'hui on ne sait pas du tout ce qui se passe à l’intérieur. Le niveau de lithium encore présent sur la LFP renseigne sur l'état de charge de la batterie», répond la chercheuse. Cette méthode serait également très utile lors de la phase de conception, car elle permettrait aux fabricants d’étudier les premiers cycles de charge et décharge des batteries et ainsi les optimiser.
Cette technique a toutefois une limite. «Certains matériaux n’absorbent pas dans l’infrarouge et ne peuvent pas être analysés par ce biais», convient Charlotte Gervillié-Mouravieff.Les futurs travaux de l'équipe viseront donc à tester la technique sur d'autres batteries et à continuer l'étude de la SEI.
