On connait la théorie sur le fonctionnement des batteries et on peut créer des modèles ouverts en laboratoire. Jusqu’à présent, il était très difficile de savoir ce qu'il se passait à long terme, et notamment quelles sont les causes de dysfonctionnements. Des chercheurs viennent de créer une méthode de spectroscopie pour observer les réactions chimiques à l'intérieur.

Les batteries au lithium sont très utilisées dans l'industrie pour équiper nos outils comme les ordinateurs portables et les smartphones. Elles portent sur leurs épaules les espoirs de la transition des transports à énergie fossile vers des véhicules électriques, voitures ou vélos.

Mais si on connait bien le mécanisme chimique, la catalyse par l'électrolyte, qui nous permet de stocker de l'énergie à l'intérieur et d'ensuite la libérer, il est beaucoup plus difficile de savoir ce qui se passe dans une batterie commerciale – fermée, évidemment – au cours du temps.

Pourquoi une batterie ne fonctionne-t-elle plus ? Pourquoi devient-elle tout d'un coup moins performante ? Comment peut-on la réparer ? Pour l'instant, les spécialistes ne peuvent pas répondre à ces questions, ce qui est problématique si nous voulons les utiliser dans la transition écologique et allonger la durée de vie de nos appareils, d’autant que le lithium est sur la liste des matériaux critiques de la Commission européene. 

• Dans nos appareils, des matériaux « critiques » et « stratégiques »

Au Collège de France, la chimiste Charlotte Gervillié-Mouravief travaille, notamment en collaboration avec Jean-Marie Tarascon (médaille d'or 2022 du CNRS), sur un dispositif utilisant une fibre optique pour observer les réactions chimiques à l'intérieur de ces batteries. Avec des chercheurs du CNRS, du Collège de France et de l'Université norvégienne de sciences et de technologie de Trondheim, ils viennent de publier un article dans la revue scientifique Nature Energy qui explique son fonctionnement.

Du diagnostic médical par spectroscopie au diagnostic de batterie

Déjà en 2014, des chercheurs de Xerox ont eu l'idée d'attacher une fibre optique en silice (comme celles utilisées en télécommunication) à une batterie pour obtenir des informations sur son état en fonctionnement. Ils ont ainsi pu suivre en direct, la température et la pression.

En 2019, des chercheurs chinois de l'Université internationale de Xi'an et du China Electric Power Research Institute ont réussi, eux, à embarquer la fibre optique à l'intérieur pour avoir des informations plus précises. Si ces données sont précieuses pour imaginer ce qu'il se passe dans la batterie, elles ne permettaient pas de suivre les réactions chimiques.

Cherchant d'autres inspirations, Charlotte Gervillié-Mouravief et ses collègues se sont tournés vers l'utilisation d'une autre fibre optique qu'une de leurs collègues du CNRS à Rennes, Catherine Boussard-Plédel, utilise depuis peu pour créer des diagnostics médicaux. Elle n'est pas faite en silice mais en verre de chalcogénure, et laisse passer les rayonnements infrarouges. Or ces derniers peuvent interagir avec les molécules qui les absorbent plus ou moins.

Les chercheurs plongent ces fibres optiques dans la batterie et l’électrolyte, y font passer des rayons infrarouges et analysent le signal en sortie. Plus précisément, c'est un phénomène d'onde évanescente au bord de la fibre qui donne ses informations sur l'interaction entre la source infrarouge et le matériau.

En analysant le signal, les chercheurs ont réussi à observer l’évolution de l'électrolyte, l’insertion et l'extraction des ions lithium dans les électrodes en fonction de la charge de leur batterie. Ils ont aussi pu effectuer la même expérience sur des batteries utilisant des ions sodium au lieu du lithium. Les batteries au sodium ne sont pas encore très utilisées, mais certains pensent qu'elles pourraient être l'avenir du secteur.

Mieux comprendre les premiers cycles

Les chercheurs expliquent qu'il y a une période très importante dans la vie d'une batterie : la première charge. À ce moment-là, une couche protectrice, Solid-Electrolyte Interphase (SEI), se crée à la surface de l'électrode négative en réaction avec l’électrolyte.

L'installation de fibres optiques en verre de chalcogénure dans les batteries des industriels pourrait permettre d'affiner la compréhension de la formation de cette couche dans chaque type de batteries des industriels et peut-être trouver des pistes pour améliorer sa formation… et ainsi augmenter la durée de vie.