« Voir » dans les batteries commerciales par spectroscopie, pour ensuite les améliorer

« Voir » dans les batteries commerciales par spectroscopie, pour ensuite les améliorer

Yeux lasers

Avatar de l'auteur
Martin Clavey

Publié dans

Hardware

10/11/2022 4 minutes
10

« Voir » dans les batteries commerciales par spectroscopie, pour ensuite les améliorer

On connait la théorie sur le fonctionnement des batteries et on peut créer des modèles ouverts en laboratoire. Jusqu’à présent, il était très difficile de savoir ce qu'il se passait à long terme, et notamment quelles sont les causes de dysfonctionnements. Des chercheurs viennent de créer une méthode de spectroscopie pour observer les réactions chimiques à l'intérieur.

Les batteries au lithium sont très utilisées dans l'industrie pour équiper nos outils comme les ordinateurs portables et les smartphones. Elles portent sur leurs épaules les espoirs de la transition des transports à énergie fossile vers des véhicules électriques, voitures ou vélos.

Mais si on connait bien le mécanisme chimique, la catalyse par l'électrolyte, qui nous permet de stocker de l'énergie à l'intérieur et d'ensuite la libérer, il est beaucoup plus difficile de savoir ce qui se passe dans une batterie commerciale – fermée, évidemment – au cours du temps.

Pourquoi une batterie ne fonctionne-t-elle plus ? Pourquoi devient-elle tout d'un coup moins performante ? Comment peut-on la réparer ? Pour l'instant, les spécialistes ne peuvent pas répondre à ces questions, ce qui est problématique si nous voulons les utiliser dans la transition écologique et allonger la durée de vie de nos appareils, d’autant que le lithium est sur la liste des matériaux critiques de la Commission européene. 

Au Collège de France, la chimiste Charlotte Gervillié-Mouravief travaille, notamment en collaboration avec Jean-Marie Tarascon (médaille d'or 2022 du CNRS), sur un dispositif utilisant une fibre optique pour observer les réactions chimiques à l'intérieur de ces batteries. Avec des chercheurs du CNRS, du Collège de France et de l'Université norvégienne de sciences et de technologie de Trondheim, ils viennent de publier un article dans la revue scientifique Nature Energy qui explique son fonctionnement.

Du diagnostic médical par spectroscopie au diagnostic de batterie

Déjà en 2014, des chercheurs de Xerox ont eu l'idée d'attacher une fibre optique en silice (comme celles utilisées en télécommunication) à une batterie pour obtenir des informations sur son état en fonctionnement. Ils ont ainsi pu suivre en direct, la température et la pression.

En 2019, des chercheurs chinois de l'Université internationale de Xi'an et du China Electric Power Research Institute ont réussi, eux, à embarquer la fibre optique à l'intérieur pour avoir des informations plus précises. Si ces données sont précieuses pour imaginer ce qu'il se passe dans la batterie, elles ne permettaient pas de suivre les réactions chimiques.

Cherchant d'autres inspirations, Charlotte Gervillié-Mouravief et ses collègues se sont tournés vers l'utilisation d'une autre fibre optique qu'une de leurs collègues du CNRS à Rennes, Catherine Boussard-Plédel, utilise depuis peu pour créer des diagnostics médicaux. Elle n'est pas faite en silice mais en verre de chalcogénure, et laisse passer les rayonnements infrarouges. Or ces derniers peuvent interagir avec les molécules qui les absorbent plus ou moins.

Les chercheurs plongent ces fibres optiques dans la batterie et l’électrolyte, y font passer des rayons infrarouges et analysent le signal en sortie. Plus précisément, c'est un phénomène d'onde évanescente au bord de la fibre qui donne ses informations sur l'interaction entre la source infrarouge et le matériau.

Schéma de la propagation de la lumière infrarouge à travers le cœur d’une fibre optique en verre de composition : Te2As3Se5 (TAS)
Crédits : © Gervillié-Mouravieff et al./Collège de France

En analysant le signal, les chercheurs ont réussi à observer l’évolution de l'électrolyte, l’insertion et l'extraction des ions lithium dans les électrodes en fonction de la charge de leur batterie. Ils ont aussi pu effectuer la même expérience sur des batteries utilisant des ions sodium au lieu du lithium. Les batteries au sodium ne sont pas encore très utilisées, mais certains pensent qu'elles pourraient être l'avenir du secteur.

Mieux comprendre les premiers cycles

Les chercheurs expliquent qu'il y a une période très importante dans la vie d'une batterie : la première charge. À ce moment-là, une couche protectrice, Solid-Electrolyte Interphase (SEI), se crée à la surface de l'électrode négative en réaction avec l’électrolyte.

L'installation de fibres optiques en verre de chalcogénure dans les batteries des industriels pourrait permettre d'affiner la compréhension de la formation de cette couche dans chaque type de batteries des industriels et peut-être trouver des pistes pour améliorer sa formation… et ainsi augmenter la durée de vie.

Écrit par Martin Clavey

Tiens, en parlant de ça :

Sommaire de l'article

Introduction

Du diagnostic médical par spectroscopie au diagnostic de batterie

Mieux comprendre les premiers cycles

Commentaires (10)


Pour préciser, les fibres en chalcogénure transmettent à partir de 2µm environ, soit à peu près là ou s’arrêtent les fibres classiques en silice
Merci en tout cas, je ne m’attendais pas à voir un article sur mon domaine ici, ça fait plaisir :chinois:


Une explication sur la mécanique de l’onde évanescente aurait permis d’étoffer l’article. Le sujet reste intéressant.


Enfin !



C’est une excellente nouvelle que l’on cherche à mesurer/vérifier ce qui existe afin de créer une boucle de rétro-action visant à améliorer les matériaux/procédés de ces éléments n’ayant pas fondamentalement changé ni n’étant très compris, et ce depuis longtemps.



Merci pour l’article !


Il y a deux semaines, magic smoke avec un pack de 2 accus 18650 sur la logueur, avec BMS unitaire eux aussi sur la longueur…
Quand vais-je comprendre que je ne dois pas laisser quelque chose à proximité de mes mains en télétravail ?!



Vu le cus d’un accus, y a pas qu’un BMS qui a pris chaud… Il a du faire un court circuit sur un temps très court… Recharge fait sous haute surveillance de l’accus le plus abimé, il prends encore 2.2A sur les 2.5 de sa capacité initial le bon coco !



Tout ça pour dire que c’est effectivement la loterie sur une periode de vie plus ou moins longue…
J’ai une batterie de PC qui a encore 45% de sa capacité initial, après 10 ans. Ou d’autre, avec un traitement identique qui ne dure que 34 ans. Après démontage toujours le même constat : un des éléments est complètement rincé condamnant la batterie alors que les petits copains eux sont toujours plus ou moins en forme…


C’est ce que j’ai constaté en regardant quelques tutoriaux sur la réutilisation des batteries d’ordinateur portable. Souvent c’est juste une unité, le reste est plutôt OK.



Si ce n’était pas potentiellement dangereux je ferai de la réutilisation, mais… je préfère jeter la batterie donc.


:yes:


C’était vraiment, au premier degré, très intéressant.


Les batteries d’ordinateur sont considérées comme des “consommables”…



Mon expérience : des batteries de marques reconnues qui tiennent fort bien dans la durée (10 ans effectivement) et des batteries achetées à pas cher sur Ali Express qui ne tiennent même pas deux ans. Donc les fabricants doivent savoir ce qui fait défaillir prématurément les batteries.



Les bonnes, leur prix est prohibitif. Et certaines affichent des coûts semblables mais ne tiennent que deux ans. Sans doute l’élément le plus décevant de l’équipement informatique. À égalité avec les cartouches d’imprimantes jet d’encre.



TheKillerOfComputer a dit:


C’est ce que j’ai constaté en regardant quelques tutoriaux sur la réutilisation des batteries d’ordinateur portable. Souvent c’est juste une unité, le reste est plutôt OK.



Si ce n’était pas potentiellement dangereux je ferai de la réutilisation, mais… je préfère jeter la batterie donc.




Alors le danger oui et non : il y a un ou plusieurs BMS : qui vont gérer la charge et la decharge des éléments, pour eviter justement une situation de danger.
Il arrive souvent qu’une batterie complète ne fonctionne plus parce qu’un seul élément est passé sous la tension de securité. Le BMS l’isole et rend l’ensemble de la batterie inutilisable.



Remplacer des éléments et franchement compliqué voir impossible du fait des constructions des packs : on est souvent obligé de casser pour ouvrir. Et ils intègre souvent des BMS qui n’acceptent pas de reprendre du service avec un élément OK, une fois qu’il s’est mis en protection (il enregistre l’erreur et se mets en sécurité, difficile de le réinitialiser).



Bref pour seconde vie, c’est en récupérant les éléments et les utilisant unitairement (tout en vérifiant qu’il soit bien protégé par un BMS ou équivalent sur l’appareil les accueillant).



Le principal danger est lors de la charge, lorsqu’un élément à été endommagé (choc, tension inferieur à 3v, court circuit, décharge trop intense, …). Et pour ma part je les charges avec un chargeur adapté et sonde de température coupant la charge si il dépasse 30° en charge.




JnnT a dit:


Les batteries d’ordinateur sont considérées comme des “consommables”…



Mon expérience : des batteries de marques reconnues qui tiennent fort bien dans la durée (10 ans effectivement) et des batteries achetées à pas cher sur Ali Express qui ne tiennent même pas deux ans. Donc les fabricants doivent savoir ce qui fait défaillir prématurément les batteries.



Les bonnes, leur prix est prohibitif. Et certaines affichent des coûts semblables mais ne tiennent que deux ans. Sans doute l’élément le plus décevant de l’équipement informatique. À égalité avec les cartouches d’imprimantes jet d’encre.




Il y a de tout. On arrive souvent a retrouver des batteries avec des bons accus (samsung ou autre), mais souvent le/les BMS qui sont de mauvaise qualité. L’idéal serait de pouvoir changer uniquement les accus dans les batteries, encore faudrait-il que la volonté constructeur soit là :
batterie demontable, BMS acceptant un nouvel accus, revoir le mode de connexion (soudure par point en général - encore que la soudure par point, on peut s’équiper pour une 30ene d’€)



=> Je te rejoins, une vraie loterie les batteries et pourtant sa pourrait être différent, question de volonté. La sécurité à bon dos, une bonne conception et une bonne sensibilisation et les risques deviennent faible (et les constructeurs peuvent s’en dégager s’en problème si l’utilisateur fait n’importe quoi)


Très intéressant de voir ce genre d’article technique sur le hardware ici ! :yes: