Des milliards de minuscules particules présentes dans les électrodes des batteries lithium-ion rechargeables sont chargées de stocker la charge et de la faire fonctionner en cas de besoin. Les films radiographiques de ce processus montrent que les particules absorbent et libèrent des ions lithium lorsque la batterie se charge et se décharge. Aujourd’hui, les chercheurs ont utilisé une technique d’apprentissage automatique appelée vision par ordinateur pour approfondir et analyser chaque pixel de ces films radiographiques, découvrant ainsi des détails physiques et chimiques inédits du cycle de la batterie, une avancée majeure.
Des chercheurs du Laboratoire national des accélérateurs SLAC du Département américain de l'énergie, de l'Université de Stanford, du MIT et du Toyota Research Institute rapportent le 13 septembre dans la revue Nature que la nouvelle approche a suggéré un moyen de permettre à des milliards de nanoparticules dans une électrode de batterie lithium-ion de stocker et de libérer une charge plus efficacement.
"Il est désormais possible de produire de superbes films radiographiques de nanoparticules de batteries en action, mais ces films sont si gourmands en informations que comprendre les détails subtils du fonctionnement des particules est un véritable défi", a déclaré William Chueh, professeur agrégé à l'Université de Stanford, scientifique du département SLAC et directeur du SLAC-Stanford Battery Center, qui a codirigé la recherche avec le professeur Martin Bazant du MIT.
"Nous pouvons désormais obtenir des informations qui n'étaient pas possibles auparavant", a déclaré Chueh. Nos partenaires industriels ont besoin de ces informations scientifiques essentielles pour développer plus rapidement de meilleures batteries. "
Plus largement, disent les chercheurs, cette méthode de découverte de la physique derrière les modèles complexes dans les images pourrait même fournir des informations sans précédent sur d'autres types de systèmes chimiques et biologiques, tels que la division cellulaire dans les embryons en développement.
La batterie transparente révèle des secrets
Les particules de batterie étudiées par l’équipe de recherche sont constituées de lithium fer phosphate, ou LFP. Ils sont emballés par milliards dans les électrodes positives de nombreuses batteries lithium-ion, chacune étant recouverte d'une fine couche de carbone pour améliorer la conductivité de l'électrode.
Pour voir ce qui se passe à l'intérieur de la batterie pendant son fonctionnement, l'équipe de Chueh a créé de minuscules cellules transparentes dans lesquelles deux électrodes sont entourées d'une solution électrolytique remplie d'ions lithium libres.
Lorsque la batterie se décharge, les ions lithium pénètrent dans l'électrode positive de la batterie lithium-ion et se logent dans ses nanoparticules comme une voiture dans un parking bondé, une réaction connue sous le nom d'intercalation. Lorsque la batterie se charge, les ions lithium s'échappent à nouveau et atteignent l'électrode négative opposée.
Une équipe de chercheurs du SLAC, de l'Université de Stanford, du MIT et du Toyota Research Institute a utilisé des techniques d'apprentissage automatique pour réanalyser les films à rayons X comme celui-ci pixel par pixel, découvrant ainsi de nouveaux détails physiques et chimiques sur le cycle de la batterie. Cette animation est basée sur des images aux rayons X produites par l'équipe en 2016. Elle montre comment certaines des milliards de nanoparticules contenues dans une électrode de batterie lithium-ion se chargent (du rouge au vert) et se déchargent (du vert au rouge) lorsque les ions lithium entrent et sortent, et révèle à quel point le processus est inégal à l'intérieur des particules individuelles. Source : Laboratoire national des accélérateurs du SLAC
Brian Storey, directeur principal de l'énergie et des matériaux au Toyota Research Institute, a déclaré : « Le phosphate de fer et de lithium est un matériau de batterie important en raison de son faible coût, de ses bonnes performances en matière de sécurité et de l'utilisation abondante d'éléments. Nous constatons une utilisation croissante du LFP sur le marché des véhicules électriques, le moment de cette recherche ne pourrait donc pas être mieux choisi. »
Historique de collaboration et travaux antérieurs
Chueh et Bazant ont commencé à collaborer sur la recherche sur les batteries il y a huit ans. Bazant a réalisé une modélisation mathématique approfondie des modèles formés par les ions lithium lorsqu'ils entrent et sortent des particules LFP. Chueh utilise un microscope à rayons X avancé à la source de lumière avancée du laboratoire national Lawrence Berkeley pour prendre des films à l'échelle nanométrique de particules de batterie au travail, avec des détails aussi petits qu'un milliardième de mètre.
En 2016, leur équipe de recherche a publié des films révolutionnaires à l’échelle nanométrique montrant comment les ions lithium entrent et sortent des nanoparticules LFP individuelles.
Ensuite, grâce au financement du Toyota Research Institute, l’équipe a commencé à utiliser des outils d’apprentissage automatique développés au MIT pour accélérer considérablement le processus de test des batteries et passer au crible de nombreuses méthodes de charge possibles pour trouver la plus efficace. Ils ont également combiné l'apprentissage automatique traditionnel, qui recherche des modèles dans les données, avec des connaissances acquises à partir d'expériences et d'équations guidées par la physique pour découvrir et expliquer les processus qui raccourcissent la durée de vie des batteries lithium-ion à charge rapide.
Analyse pixel par pixel
Dans cette dernière étude, Chueh et Bazant ont utilisé la vision par ordinateur, un sous-domaine de l'apprentissage automatique, pour extraire des informations plus détaillées de 62 films à rayons X à l'échelle nanométrique qu'ils ont filmés en 2016 sur des particules de batterie lithium-ion se chargeant ou se déchargeant. Chaque image fixe de ces films contient environ 490 pixels - la plus petite unité d'information pouvant être obtenue à partir d'une image, qu'il s'agisse d'un détecteur pris avec des rayons X ou de lumière visible prise par l'appareil photo d'un smartphone. Cela leur donne environ 180 000 pixels d'informations.
L’équipe a utilisé ces 180 000 pixels pour entraîner son modèle informatique afin de générer des équations qui décrivent avec précision le déroulement de la réaction d’insertion du lithium. Ils ont constaté que le mouvement des ions dans les particules LFP correspondait très bien aux prédictions de simulation informatique de Bazant.
"Chaque petit pixel à l'intérieur passe du plein au vide, du plein au vide", a déclaré Bazant. "Nous cartographions l'ensemble du processus, en utilisant nos équations pour comprendre comment cela se produit."
"La nouvelle technologie a révélé des phénomènes inédits, notamment des changements dans le taux de réactions d'insertion du lithium dans différentes régions d'une seule nanoparticule LFP", a déclaré Bazant. "Certaines régions semblent réagir très rapidement et d'autres très lentement."
La découverte pratique la plus importante de l’article est que les changements dans l’épaisseur du revêtement de carbone des particules LFP contrôlent directement la vitesse d’entrée et de sortie des ions lithium, ce qui peut conduire à une charge et une décharge plus efficaces.
Les scientifiques ont appris de cette étude que ce qui contrôle le processus de la batterie est l'interface entre l'électrolyte liquide et le matériau solide de l'électrode, où les réactions d'intercalation et les changements dans l'épaisseur du revêtement de carbone granulaire interagissent de manière complexe. Cela signifie que la prochaine étape devrait réellement porter sur l’ingénierie de l’interface.
Storey du Toyota Research Institute a ajouté : « La publication de cet article est l'aboutissement de six années de travail acharné et de collaboration. Cette technologie nous permet de découvrir le fonctionnement interne d'une batterie d'une manière qui n'a jamais été faite auparavant. Notre prochain objectif est d'améliorer la conception des batteries en appliquant cette nouvelle compréhension.