Un nouveau détecteur de radiofréquence ultramince conçu pour fonctionner à l'intérieur d'une batterie lithium-ion fournit des informations sur l'état de la batterie pendant la charge et la décharge.

"Cela pourrait permettre aux chercheurs de vérifier le fonctionnement et la capacité d'une batterie après des années de stockage sans la détruire, " a déclaré Eric Sorte, un physicien au Sandia National Laboratories.

L'oeuvre, financé par le programme de recherche et développement dirigé par le laboratoire de Sandia aidera les chercheurs à mieux comprendre et caractériser les batteries afin de les améliorer pour le stockage renouvelable et les applications de sécurité nationale. Les fabricants pourraient également l'utiliser un jour pour exécuter des tests de diagnostic, dit Sorte.

Détecteur à résonance magnétique déplacé à l'intérieur de la batterie

Comme une batterie lithium-ion alimente un appareil électronique puis se recharge, des changements chimiques et physiques se produisent à l'intérieur qui réduisent sa fonction au fil du temps. Des produits secondaires moléculaires se forment lorsque les ions lithium se nichent et quittent chaque électrode. Ces molécules peuvent consommer le lithium actif et réduire la capacité d'une batterie. Les électrodes peuvent également subir des modifications chimiques indésirables, réduisant leur capacité à rester chargé. Des pointes microscopiques de lithium peuvent se développer à partir d'une surface d'électrode, consommant des ions porteurs de charge clés et créant des conditions potentiellement inflammables.

Alors que les chercheurs s'efforcent d'améliorer les performances des batteries lithium-ion, ils modifient les composants chimiques d'une batterie et font subir au système de nombreuses charges et décharges. Ensuite, ils ouvrent la batterie et examinent les matériaux au microscope pour voir comment leur structure et leur composition ont changé.

Les chercheurs pourraient obtenir ces informations beaucoup plus rapidement s'ils pouvaient surveiller les conditions à l'intérieur d'une batterie pendant qu'elle se charge et se décharge. Une façon de le faire actuellement est d'utiliser une technique qui utilise les mêmes principes que l'imagerie par résonance magnétique dans les hôpitaux. Cette méthode fournit des indices sur la structure et l'environnement d'une molécule en examinant les signaux d'un élément spécifique de cette molécule.

Voici comment cela fonctionne :d'abord, l'instrument envoie une impulsion d'ondes radio adaptées pour interagir avec un noyau atomique spécifique dans des éléments tels que le lithium, soufre ou hydrogène. Lorsqu'un noyau revient à son état d'origine, il émet un signal qui change de manière prévisible en fonction de l'environnement d'un atome.

Les chercheurs ont déjà utilisé cette technique pour examiner les changements chimiques dans les batteries, mais ils ont dû modifier les composants de la batterie d'une manière qui n'existe pas dans les batteries en état de marche. Ce nouveau détecteur, créé par Sorte avec le scientifique des matériaux de Sandia Todd Alam et d'autres collègues, est conçu pour fonctionner avec des piles car elles sont conçues pour un usage quotidien. Il est plus fin qu'une feuille de papier et peut être fait pour s'adapter à l'intérieur d'une batterie de n'importe quelle forme.

Les chercheurs l'ont déjà glissé à l'intérieur d'une batterie disponible dans le commerce. Ils imaginent un jour insérer la bandelette détectrice à l'intérieur d'une pile lors de la fabrication, il contient donc déjà le composant nécessaire pour un bilan de santé rapide.

Les signaux spécifiques des composants moléculaires indiquent la charge, des modifications chimiques

En utilisant ce détecteur, Sorte et ses collègues peuvent voir des signaux uniques pour les ions lithium lorsqu'ils interagissent avec le matériau de chaque électrode. Cela leur permet de suivre le niveau de charge d'une batterie tout au long de cycles de charge et de décharge répétés ; la baisse de capacité est un signe qu'une batterie est en train de mourir.

Les chercheurs peuvent également voir des signaux uniques provenant de molécules produites lors de réactions secondaires pendant le fonctionnement d'une batterie. Ils peuvent surveiller ces produits secondaires moléculaires, puis modifier les composants chimiques d'une batterie pour réduire les réactions indésirables. Ces changements peuvent les aider à améliorer les batteries pour qu'elles aient les propriétés nécessaires pour des applications telles que le stockage d'énergie renouvelable à grande échelle. Les fabricants pourraient également utiliser cet appareil un jour pour effectuer des tests de diagnostic sur les batteries, dit Sorte.

La même approche et la même bande de détection pourraient être utilisées pour examiner le fonctionnement interne des batteries à flux de vanadium et d'autres chimies également, il ajouta. Sorte travaille également sur le suivi de la durée de vie interne d'une batterie à l'aide des électrodes déjà présentes, de sorte qu'aucun composant supplémentaire n'est nécessaire.