Les batteries stockent l’énergie sous forme chimique : pendant la charge, le courant provoque des réactions chimiques et l’énergie est stockée, puis pendant la décharge, une réaction électrochimique spontanée provoque le déplacement inverse des électrons dans le système. L’énergie est libérée pour créer un courant électrique.

Contrôler et étudier la chimie des batteries est donc crucial pour comprendre leur fonctionnement, mais aussi pour améliorer leur conception. Si cet exercice est facile en laboratoire, il est beaucoup plus difficile lorsqu’il est intégré à un système. Cependant, une équipe de recherche multidisciplinaire dirigée par des scientifiques du Laboratoire Chimie du Solide et de l’Energie (CNRS/Collège de France/Sorbonne Université) vient de développer une méthode pour suivre l’évolution chimique d’une batterie commerciale, en temps réel, tout en il charge et décharge.

La technologie, présentée dans un article publié dans Nature, est basé sur la transmission de la lumière infrarouge dans des fibres optiques en verre chalcogénure placées à travers une batterie. Grâce à l’interaction de cette lumière avec les constituants de la batterie, les molécules chimiques présentes autour de la fibre sont identifiées et suivies.

Les chercheurs ont pu observer l’évolution de l’électrolyte ainsi que l’insertion/extraction d’ions sodium-lithium dans les électrodes en fonction de l’état de charge. Et ils l’ont fait pendant son utilisation, une première ! Grâce à ce système, les scientifiques ont également pu étudier l’interface entre l’électrolyte et le matériau de l’électrode négative, appelée interphase d’électrolyte solide (SEI). Cette couche, à la fois conductrice d’ions et isolante d’électrons, détermine la durée de vie des batteries. L’équipe a notamment pu suivre in situ la nature des espèces chimiques impliquées dans la nucléation et la croissance du SEI, qui s’établit lors de la toute première étape de charge d’une batterie.

D’un point de vue pratique, ces résultats ouvrent la voie à une conception de batterie plus simple et améliorée. Actuellement, il faut beaucoup de temps pour optimiser les électrolytes et les protocoles afin de trouver la meilleure option pour un SEI idéal, et ainsi améliorer la longévité de la batterie. Avec cette nouvelle méthode, il est possible de voir rapidement et précisément comment chaque élément de la recette évolue, interagit avec les autres et influence les performances de la batterie. L’équipe de recherche poursuit ses travaux en se concentrant sur le SEI et espère pouvoir révéler tous ses secrets.