Pendant des décennies, les scientifiques ont cru que l’inévitable accumulation de film sur les électrodes des batteries rechargeables était responsable de la dégradation des performances. Mais une étude récente menée aux États-Unis a révélé que d’autres raisons expliquent la baisse des performances. Une équipe de recherche du Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) du Département américain de l'énergie a découvert que l'accumulation de dépôts de lithium métallique dans des structures moussues ou arborescentes sur les électrodes des batteries n'est pas la cause première de la dégradation des performances, mais plutôt un effet secondaire.

Leurs dernières découvertes ont été récemment publiées dans la revue Nature Energy.


Leurs résultats montrent que ce que l’on appelle l’interface électrolyte solide (SEI) n’est pas un isolant électronique comme on le pensait auparavant, mais se comporte comme un semi-conducteur. Le SEI agit comme un gardien, permettant aux ions lithium de se déplacer librement dans et hors de l'anode. Les scientifiques se concentrent depuis longtemps sur l’étude de cette couche SEI qui, bien qu’elle soit plus fine qu’un morceau de papier, joue un rôle énorme dans les performances de la batterie.

Le SEI se forme lors du premier cycle de charge lorsque la batterie est encore neuve et reste idéalement stable pendant toute la durée de vie prévue de la batterie. Mais regarder à l’intérieur d’une batterie rechargeable vieillissante révèle généralement une importante accumulation de lithium solide sur l’électrode négative. Les chercheurs en batteries pensent que cette accumulation entraîne une dégradation des performances. Mais il était auparavant impossible de mesurer les causes et les effets.

Dans leurs dernières recherches, ils ont résolu ce problème en développant une nouvelle technique permettant de mesurer directement la conductivité du SEI dans les systèmes expérimentaux. L’équipe a combiné la microscopie électronique à transmission avec la manipulation à l’échelle nanométrique d’aiguilles métalliques microfabriquées au microscope. Les chercheurs ont ensuite mesuré les propriétés électriques des couches SEI formées sur du cuivre ou du lithium métallique en utilisant quatre types différents d'électrolytes.


Ce faisant, ils ont résolu un mystère de longue date sur le fonctionnement du SEI en fonctionnement sur batterie. Les mesures de l'équipe ont montré qu'à mesure que la tension de la cellule augmentait, la couche SEI perdait des électrons dans tous les cas, la rendant semi-conductrice. De plus, les composants organiques contenant du carbone de la couche SEI laissent facilement échapper des électrons et raccourcissent la durée de vie de la batterie.

"Une conductivité plus élevée conduit à des formes SEI plus épaisses et à des formes de lithium solides complexes, conduisant finalement à de moins bonnes performances de la batterie", a déclaré Chongmin Wang, chercheur au laboratoire PNNL et expert en technologie des batteries qui a codirigé l'étude.

À ce stade, les chercheurs ont conclu que minimiser les composants organiques du SEI entraînerait une durée de vie plus longue de la batterie.

"Même de petits changements dans le taux de conduction via le SEI peuvent entraîner d'énormes différences en termes d'efficacité et de stabilité du cycle de la batterie", a ajouté Wang.