INSA Lyon - stockage de l'énergie : un enjeu mondial contrôlé par microtomographie

26 janv. 2021
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Le développement des solutions de stockage d’énergie, plus particulièrement les batteries, fait partie des domaines industriels les plus actifs depuis de nombreuses années. A l’heure actuelle, l’enjeu devient plus colossal de jour en jour, avec la croissance exponentielle de la mobilité électrique, des objets connectés et de nos moyens de communication.

Contexte actuel du stockage de l'énergie


Il y a un principe de base quand on parle de batterie électrochimique : transformer l'énergie électrique en énergie chimique pendant la charge, puis inversement de restituer l'énergie électrique pendant la décharge. C'est le principe exploité dans les batteries au plomb depuis 150 ans. Conçues il y a plus de 30 ans, les batteries Lithium-ion sont aujourd'hui la solution la plus répandue dans de très nombreuses applications. Sa très grande efficacité (3 fois plus de puissance qu'une batterie au plomb de même poids) et le grand nombre de cycles en font la solution la plus performante à l'heure actuelle.

Néanmoins, les problématiques sont nombreuses pour améliorer les produits existants : capacité de stockage, coût de fabrication, sécurité, coût écologique et bien sûr durée de vie. Les travaux présentés dans cette note d'application se sont penchés sur ces deux derniers points.

Introduction aux batteries Lithium - ion

Les batteries Lithium-ion, utilisées du téléphone portable aux voitures électriques, sont aujourd’hui la solution de stockage de l’énergie dans de très nombreuses applications. Leur très grande puissance ainsi que leur autonomie en font la solution la plus répandue à l’heure actuelle. 
Cependant, de nombreux travaux sont en cours, portant sur différents axes : capacité de stockage, sécurité, coût écologique et bien sûr durée de vie.

C'est quoi ?  

Les batteries Li-ion sont constituées d’une multitude de cellules, chacune capable de générer quelques volts. Chaque cellule est constituée de deux électrodes qui vont s’échanger des ions, lithium dans le cadre de batteries Li-ion. L’analyse, à très petite échelle des composants chimiques des électrodes est alors une clé essentielle pour améliorer les performances des batteries.

Comment analyser les batteries ? 

Les moyens classiques d’analyse de matériaux nécessitent souvent la destruction de l’échantillon et ne permettent pas de suivre l’évolution d’une batterie au fil des cycles de charge et de décharge. De plus, ces techniques fournissent une information bidimensionnelle inadaptée à l’analyse d’un réseau poreux tridimensionnel.

La micro-tomographie (ou micro-CT) par rayons X apporte une solution technique au défi de la compréhension des mécanismes de dégradation des électrodes au fil des cycles, grâce aux :
  • Mesures « in-situ » : réaliser des images pendant les cycles de charge & décharge
  • Résultats sous la forme d’un volume 3D de l’électrode à une échelle inférieure au micron
 
Les travaux menés par le laboratoire MATEIS, équipé d’une EasyTom 160 (tomographe de la gamme Nano), conjointement avec l’Institut National de Recherche Scientifique (INRS) de Varennes au Canada ont permis d’améliorer le procédé de fabrication des électrodes et ainsi réduire la dégradation de celles-ci au cours des cycles de charge et décharge.

Dans la course actuelle pour l’amélioration des solutions de stockage d’énergie le tomographe EasyTom est un outil clé

L’utilisation d’un microtomographe de laboratoire a été validée pour l’analyse de la microstructure des matériaux dans des cellules Li-ion avec électrode en Silicium, à la fois pour des analyses ex situ sur un échantillon inerte et pour des expériences in situ. Il est ainsi possible de quantifier avec l’EasyTom 160 la répartition tridimensionnelle du Silicium dans l’électrode, et observer un certain nombre de phénomènes de dégradation au cours d’un cycle.
 
Cette avancée permet aux laboratoires et centres de recherche d’accélérer significativement leurs travaux tout en s’appuyant toujours sur les sources synchrotrons lorsque les limites des équipements de laboratoire sont atteintes.
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