Les voitures électriques reposent sur la même technologie de batterie lithium-ion que dans les smartphones, ordinateurs portables et pratiquement tout ce qui est électronique.

Mais la technologie a été extrêmement lente à s'améliorer. Alors que les voitures électriques peuvent plus que gérer les trajets quotidiens de l'Américain moyen, la voiture à essence moyenne peut encore aller plus loin avec un plein d'essence, les stations de recharge sont rares et il faut beaucoup plus de temps pour charger une batterie que pour remplir un réservoir.

Pour améliorer la capacité de charge des batteries lithium-ion et accroître l'adoption des voitures électriques, l'industrie devra revenir à la science fondamentale de la façon dont les batteries s'usent au fil du temps.

Une équipe de chercheurs multi-instituts a développé la vision la plus complète à ce jour des électrodes de batterie lithium-ion, où la plupart des dommages se produisent généralement en les chargeant à plusieurs reprises. Les fabricants pourraient utiliser ces informations pour concevoir des batteries pour votre smartphone ou votre voiture qui soient à la fois plus fiables et plus durables, disent les chercheurs.

« La création de connaissances est parfois plus précieuse que la résolution du problème des dommages aux électrodes de la batterie, " a déclaré Kejie Zhao, professeur adjoint de génie mécanique à l'Université Purdue. "Avant, les gens n'avaient pas les techniques ou la théorie pour comprendre ce problème."

La technique, expliqué dans les journaux Matériaux énergétiques avancés et le Journal de la mécanique et de la physique des solides , est essentiellement un outil à rayons X piloté par l'intelligence artificielle. Il peut scanner automatiquement des milliers de particules dans une électrode de batterie lithium-ion à la fois - jusqu'aux atomes qui composent les particules elles-mêmes - à l'aide d'algorithmes d'apprentissage automatique.

Accordé, il y a en fait des millions de particules dans une électrode de batterie. Mais les chercheurs peuvent maintenant les analyser plus en profondeur qu'ils ne le pouvaient auparavant - et dans les différentes conditions de fonctionnement dans lesquelles nous utilisons des batteries commerciales dans le monde réel, tels que leur fenêtre de tension et la vitesse à laquelle ils se chargent.

« La plupart des travaux se sont concentrés sur le niveau d'une particule unique et sur l'utilisation de cette analyse pour comprendre l'ensemble de la batterie. " dit Zhao, dont le laboratoire étudie la science fondamentale de la façon dont les aspects mécaniques et électrochimiques d'une batterie s'influencent mutuellement.

Chaque fois qu'une batterie se charge, les ions lithium vont et viennent entre une électrode positive et une électrode négative. Ces ions interagissent avec les particules dans les électrodes, les faisant se fissurer et se dégrader avec le temps. L'endommagement des électrodes réduit la capacité de charge d'une batterie.

Il est difficile pour une batterie d'avoir une grande capacité et d'être fiable en même temps, dit Zhao. Augmenter la capacité d'une batterie signifie souvent sacrifier sa fiabilité.

Le travail des chercheurs pour cartographier les dommages causés aux batteries lithium-ion a commencé par la découverte que la dégradation des particules de batterie ne se produit pas au même moment ou au même endroit; certaines particules échouent plus rapidement que d'autres.

Mais pour vraiment étudier cela plus en détail, l'équipe avait besoin de créer une toute nouvelle technique; les méthodes existantes ne captureraient pas entièrement les dommages dans les électrodes de batterie.

Les chercheurs se sont tournés vers le massif, des installations de plusieurs kilomètres de long appelées synchrotrons à l'European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) et à la Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) du SLAC National Laboratory. Ces installations hébergent des particules voyageant presque à la vitesse de la lumière, émettant un rayonnement qui est utilisé pour créer des images appelées rayons X synchrotron.

Les chercheurs de Virginia Tech ont fabriqué les matériaux et les batteries pour les tests, allant des piles de poche des smartphones aux piles boutons des montres. Les chercheurs de l'ESRF et du SSRL ont créé la possibilité de scanner autant de particules d'électrodes que possible dans ces batteries en une seule fois, puis produire ces images radiographiques pour analyse. Cartes de fissuration et de dégradation des particules à la surface des particules, appelé « décollement interfacial, " peut désormais servir d'outils de référence pour connaître les degrés d'endommagement des électrodes de batterie.

Pour comprendre comment ces fissures affectent les performances de la batterie, L'équipe de Zhao à Purdue a développé des théories et des outils informatiques. Ils ont trouvé, par exemple, que parce que les particules près de l'endroit où les ions lithium font la navette d'avant en arrière, appelé le "séparateur, " sont plus utilisées que les particules près du fond des matériaux d'électrode, ils échouent plus rapidement.

Cette variabilité des dommages causés par les particules d'électrode, ou "dégradation hétérogène, " est plus sévère dans les électrodes plus épaisses et dans les conditions de charge rapide.

"La capacité des batteries ne dépend pas du nombre de particules présentes dans la batterie ; ce qui compte, c'est la façon dont les ions lithium sont utilisés, " dit Zhao.

L'objectif du projet n'est pas que chaque chercheur et acteur industriel utilise la technique elle-même - d'autant plus qu'il n'y a qu'une poignée de synchrotrons aux États-Unis - mais que ces groupes utilisent les connaissances générées par la technique. Les chercheurs prévoient de continuer à utiliser la technique pour documenter comment les dommages se produisent et affectent les performances des batteries commerciales.