Dans notre quotidien, les batteries lithium-ion sont devenues indispensables. Ils fonctionnent uniquement grâce à une couche de passivation qui se forme au cours de leur cycle initial. Comme les chercheurs de l’Institut de technologie de Karlsruhe (KIT) l’ont découvert via des simulations, cette interphase d’électrolyte solide ne se développe pas directement au niveau de l’électrode mais s’agrège dans la solution. Les scientifiques rendent compte de leur étude dans le Matériaux énergétiques avancés journal. Leurs découvertes permettent d’optimiser les performances et la durée de vie des futures batteries.
Des smartphones aux voitures électriques, partout où une source d’énergie mobile est requise, c’est presque toujours une batterie lithium-ion qui fait le travail. L’interphase d’électrolyte solide (SEI) est une partie essentielle du fonctionnement fiable de cette batterie et d’autres batteries à électrolyte liquide. Cette couche de passivation se forme lorsque la tension est appliquée pour la première fois. L’électrolyte se décompose à proximité immédiate de la surface. Jusqu’à présent, on ne savait pas comment les particules des électrolytes forment une couche pouvant atteindre 100 nanomètres d’épaisseur à la surface de l’électrode puisque la réaction de décomposition n’est possible qu’à quelques nanomètres de distance de la surface.
La couche de passivation sur la surface de l’anode est cruciale pour la capacité électrochimique et la durée de vie d’une batterie lithium-ion car elle est fortement sollicitée à chaque cycle de charge. Lorsque le SEI est rompu au cours de ce processus, l’électrolyte est encore décomposé et la capacité de la batterie est réduite – un processus qui détermine la durée de vie d’une batterie. Avec les bonnes connaissances sur la croissance et la composition du SEI, les propriétés d’une batterie peuvent être contrôlées. Mais jusqu’à présent, aucune approche expérimentale ou assistée par ordinateur n’était suffisante pour décrypter les processus complexes de croissance du SEI qui se déroulent à très grande échelle et dans différentes dimensions.
Étude dans le cadre de l’initiative européenne BATTERY 2030+
Les chercheurs du KIT Institute of Nanotechnology (INT) sont maintenant parvenus à caractériser la formation du SEI avec une approche multi-échelle. « Cela résout l’un des grands mystères concernant une partie essentielle de toutes les batteries à électrolyte liquide – en particulier les batteries lithium-ion que nous utilisons tous tous les jours », déclare le professeur Wolfgang Wenzel, directeur du groupe de recherche « Modélisation des matériaux multi-échelles et conception virtuelle ». à INT, qui participe à l’initiative de recherche européenne à grande échelle BATTERY 2030+ qui vise à développer des batteries hautes performances sûres, abordables, durables et durables pour l’avenir. Les chercheurs du KIT rendent compte de leurs découvertes dans la revue Advanced Energy Materials.
Plus de 50 000 simulations pour différentes conditions de réaction
Pour examiner la croissance et la composition de la couche de passivation à l’anode des batteries à électrolyte liquide, les chercheurs de l’INT ont généré un ensemble de plus de 50 000 simulations représentant différentes conditions de réaction. Ils ont découvert que la croissance du SEI organique suit une voie médiée par la solution : premièrement, les précurseurs du SEI qui se forment directement à la surface se rejoignent loin de la surface de l’électrode via un processus de nucléation. La croissance rapide ultérieure des noyaux conduit à la formation d’une couche poreuse qui finit par recouvrir la surface de l’électrode. Ces découvertes offrent une solution à la situation paradoxale selon laquelle les constituants SEI ne peuvent se former que près de la surface, là où les électrons sont disponibles, mais leur croissance s’arrêterait une fois cette région étroite couverte. « Nous avons pu identifier les paramètres de réaction clés qui déterminent l’épaisseur du SEI », explique le Dr Saibal Jana, postdoctorant à l’INT et l’un des auteurs de l’étude. « Cela permettra le développement futur d’électrolytes et d’additifs appropriés qui contrôlent les propriétés du SEI et optimisent les performances et la durée de vie de la batterie. » (ou)