Les batteries sont généralement étudiées via leurs propriétés électriques telles que la tension et le courant, mais de nouvelles recherches suggèrent que l'observation de la manière dont la chaleur circule en conjonction avec l'électricité peut fournir des informations importantes sur la chimie des batteries.

Une équipe de chercheurs de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign a démontré comment étudier les propriétés chimiques des cellules de batterie lithium-ion en exploitant l'effet Peltier, dans lequel le courant électrique amène un système à puiser de la chaleur. Rapporté dans la revue Physical Chemistry Chemical Physics , cette technique leur a permis de mesurer expérimentalement l'entropie de l'électrolyte lithium-ion, une caractéristique thermodynamique qui pourrait directement éclairer la conception des batteries lithium-ion.

"Notre travail consiste à comprendre la thermodynamique fondamentale des ions lithium dissous, informations qui, nous l'espérons, guideront le développement de meilleurs électrolytes pour les batteries", a déclaré David Cahill, professeur de science et d'ingénierie des matériaux à l'Université d'I., et chef du projet. "Mesurer le transport couplé de charge électrique et de chaleur dans l'effet Peltier nous permet de déduire l'entropie, une quantité étroitement liée à la structure chimique des ions dissous et à la façon dont ils interagissent avec d'autres parties de la batterie."

L'effet Peltier est bien étudié dans les systèmes à semi-conducteurs où il est utilisé dans le refroidissement et la réfrigération. Cependant, il reste largement inexploré dans les systèmes ioniques comme l’électrolyte au lithium. La raison en est que les différences de température créées par le chauffage et le refroidissement Peltier sont faibles par rapport à d'autres effets.

Pour surmonter cet obstacle, les chercheurs ont utilisé un système de mesure capable de résoudre le cent millième de degré Celsius. Cela a permis aux chercheurs de mesurer la chaleur entre les deux extrémités de la cellule et de l'utiliser pour calculer l'entropie de l'électrolyte lithium-ion dans la cellule.

"Nous mesurons une propriété macroscopique, mais cela révèle néanmoins des informations importantes sur le comportement microscopique des ions", a déclaré Rosy Huang, étudiante diplômée du groupe de recherche de Cahill et co-auteur principal de l'étude. "Les mesures de l'effet Peltier et de l'entropie de la solution sont étroitement liées à la structure de solvatation. Auparavant, les chercheurs sur les batteries s'appuyaient sur des mesures d'énergie, mais l'entropie fournirait un complément important à ces informations, donnant une image plus complète du système."

Les chercheurs ont étudié comment le flux de chaleur Peltier variait en fonction de la concentration en ions lithium, du type de solvant, du matériau de l'électrode et de la température. Dans tous les cas, ils ont observé que le flux de chaleur était opposé au courant ionique dans la solution, ce qui implique que l'entropie issue de la dissolution des ions lithium est inférieure à l'entropie du lithium solide.

La capacité de mesurer l'entropie des solutions d'électrolytes lithium-ion peut donner des informations importantes sur la mobilité des ions, qui régit le cycle de recharge de la batterie, et sur la façon dont la solution interagit avec les électrodes, un facteur important dans la durée de vie de la batterie.

"Un aspect sous-estimé de la conception des batteries est que l'électrolyte liquide n'est pas chimiquement stable lorsqu'il est en contact avec les électrodes", a déclaré Cahill. "Il se décompose toujours et forme ce qu'on appelle une interphase à électrolyte solide. Pour rendre une batterie stable sur de longs cycles, vous devez comprendre la thermodynamique de cette interphase, ce que notre méthode permet de faire."

Zhe Cheng est le deuxième co-auteur principal de l'étude. Beniamin Zahiri, Patrick Kwon et Paul Braun, professeur de science et d'ingénierie des matériaux à l'Université d'I., ont également contribué à ce travail.

Plus d'informations : Zhe Cheng et al, Effet Peltier ionique dans les électrolytes Li-ion, Physical Chemistry Chemical Physics (2024). DOI :10.1039/D3CP05998G

Informations sur le journal : Physique Chimie Physique Chimique

Fourni par le Grainger College of Engineering de l'Université de l'Illinois