Les batteries solides sont la grande promesse des voitures électriques. Sa composition et ses caractéristiques représentent une amélioration considérable par rapport à celles actuelles, mais son arrivée dans une production à grande échelle n’est pas encore une réalité. Aujourd’hui, des chercheurs de l’Institut Max Planck de recherche sur les polymères (MPI-P) en Allemagne, en collaboration avec plusieurs universités japonaises, ont procédé à une analyse approfondie de ces batteries.
Son objectif s’est concentré sur les effets de charge d’espace qui existent dans les batteries à semi-conducteurs. Cela peut paraître technique, mais c’est quelque chose de clé qui pourrait améliorer considérablement les performances de ce type de batterie.
Une couche qui génère une résistance supplémentaire
Ce que les chercheurs ont étudié, c’est le phénomène de charge d’espace. Cela réside dans le fait que, tant pendant la charge que pendant la décharge des batteries à semi-conducteurs, une résistance supplémentaire est générée qui limite leurs performances, en particulier au niveau de l’électrode positive, où elles ont tendance à se former avec une plus grande intensité. Grâce à l’étude, il a été possible d’établir des connaissances qui servent de base pour, en utilisant d’autres matériaux ou en modifiant la structure des électrodes, réduire cet effet.
Rudiger Bergerresponsable du groupe MPI-P, l’explique simplement : “Une batterie est une sorte de pompe. À l’intérieur se déplacent des ions, c’est-à-dire des atomes chargés, qui doivent être équilibrés extérieurement par un flux d’électrons et donc un courant électrique.” Le problème est que lorsque les ions migrent à l’intérieur de la batterie, il est possible que des couches de charge d’espace se forment au niveau des interfaces internes, ce qui repousse le reste des ions qui migrent également. Cela provoque une résistance supplémentaire à l’intérieur de la batterie, entraînant des pertes qui rendent les processus de charge et de décharge difficiles.
Grâce à leurs tests, ils ont découvert que l’effet se produit surtout au niveau de l’électrode positive, où se forme une couche de charge de moins de 50 nanomètres d’épaisseur. Cela, dans l’absolu, c’est très bien, mais en relatif, cela suffit à gêner la recharge de la batterie. Ce que les scientifiques ont observé, c’est qu’il s’agit d’une couche dynamique, dont le comportement varie en fonction de l’état de charge de la batterie.
Problème détecté, en route vers la solution
Bien que l’existence de cet effet soit connue, elle a été analysée par plusieurs groupes de recherche qui ont obtenu des résultats très différents, de sorte que l’on ne savait pas avec certitude comment le film se comportait ni quelle était son épaisseur réelle. Pour parvenir à des conclusions plus précises, l’équipe a utilisé deux techniques microscopiques pour localiser et analyser la formation de la couche de charge en temps réel et à différents niveaux de charge.
La première technique utilisée consistait à examiner la section transversale de la batterie à l’aide d’une aiguille extrêmement fine. Grâce à cela, ils ont pu analyser les potentiels électriques en temps réel et voir quelle est l’influence locale de la tension. La seconde a été l’analyse des réactions nucléaires, qui a permis de détecter l’accumulation de lithium à l’interface de l’électrode positive. Taro Hitosugi, de l’Université de Tokyo, qui a collaboré à l’étude, explique : « Les deux techniques sont nouvelles dans la recherche sur les batteries et pourraient être utilisées pour d’autres problèmes à l’avenir. »
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