Améliorer les batteries grâce à la fibre optique

Depuis l’invention des batteries lithium-ion il y a trois décennies, leurs caractéristiques ont considérablement été améliorées : plus de capacité, plus de durée de vie, plus de cycles possibles de charge/décharge… Mais aussi des coûts en forte baisse. En 2022, une batterie de voiture électrique lithium-ion coûtait environ 151 dollars par kilowattheure, contre 1 306 $ en 2010. Malgré ces progrès considérables, il est encore possible de les améliorer techniquement. Des chercheurs du Collège de France, du CNRS, de l’Université Rennes 1 et de l’Université de Montpellier viennent de mettre au point une méthode, présentée dans Nature Energy en novembre dernier, qui permettrait d’y parvenir.

En effet, contrôler et étudier la chimie interne d’une batterie est indispensable, non seulement pour comprendre son fonctionnement, mais aussi améliorer sa conception. « La chimie des batteries est un sujet très important car cela détermine leur autonomie et leur durée de vie. Dans les batteries lithium-ion, il y a la création d’une interface entre l’électrolyte et le matériau d’électrode négative appelée Solid electrolyte interphase (SEI). Elle est due à une réaction parasite lors de la mise en route de la batterie qui va améliorer ses caractéristiques. Il est donc important de savoir ce qui se passe au niveau chimique car cette couche est dynamique, c’est-à-dire qu’elle va évoluer lors du cyclage », explique Jean-Marie Tarascon, chimiste, professeur au Collège de France et médaille d’or du CNRS pour l’année 2022.

Fibre optique

Le diagnostic existe depuis le début des batteries, y compris sur celles au plomb. Ici, la nouveauté est de déterminer leurs paramètres physiques (température, pression) et thermodynamiques. Toutefois, si l’exercice est aisé en laboratoire, il l’est beaucoup moins lorsqu’une batterie est intégrée dans un système. « Nous avons utilisé la fibre optique pour servir de détecteur infrarouge et identifier les molécules qui se forment suite à des réactions parasites à l’intérieur de la cellule », détaille Jean-Marie Tarascon. Encore fallait-il trouver la fibre adéquate… Celles utilisées dans les télécommunications sont à base de silice et ne sont efficaces que dans les domaines de transparence de 0,5 à 3 microns, ce qui ne permet pas de voir le spectre infrarouge des molécules. « Nous avons donc utilisé des fibres chalcogénures* mises en œuvre à l’Université de Rennes, par le laboratoire de Jean-Luc Adam », poursuit Jean-Marie Tarascon.

Concrètement, les scientifiques utilisent des batteries lithium-ion trouées pour y passer la fibre. Puis ils injectent de l’électrolyte par un autre orifice. Ils sont alors scellés par de la résine époxy. La fibre est connectée à un spectromètre. Les chimistes chargent et déchargent alors la batterie pour simuler une utilisation et déterminent comment la chimie évolue. Actuellement, l’optimisation des électrolytes et protocoles tests de charge est longue pour trouver la meilleure option pour une SEI idéale et augmenter la longévité d’une batterie. Avec cette méthode, il est possible de voir en direct comment chaque élément interagit avec les autres et influence les performances de l’équipement. De plus, elle peut s’adapter à un large éventail de technologies. « Elle fonctionne sur des technologies aqueuses, non aqueuses, lithium-ion, sodium-ion. Par contre, elle est difficile à mener sur des batteries tout solide car elles fonctionnent sous pression : les fibres sont très fragiles et risquent de casser », conclut Jean-Marie Tarascon.

* Les verres de chalcogénure sont une famille de verres utilisés surtout en optique