RMN in-situ : comment migre le lithium dans les batteries ?

Résultats scientifiques Energie

Améliorer les performances des batteries lithium-ion qui équipent la plupart de notre électronique mobile et de nos véhicules électriques est un enjeu majeur pour stocker de manière plus efficace l’énergie électrique. Pour y parvenir, il est nécessaire de pouvoir décrire finement  la façon dont elles évoluent au cours du temps, comme par exemple accéder à l’évolution de leur composition chimique au cours du fonctionnement. Pari relevé par des chercheurs du Réseau sur le stockage électrochimique de l'énergie du CNRS qui ont mis au point une méthode d’imagerie par résonance magnétique permettant de visualiser, in situ, la migration des ions lithium pendant les cycles de charge/décharge. L'étude menée principalement par des chercheurs du laboratoire « Conditions extrêmes et matériaux : haute température et irradiation » (CNRS/Université d’Orléans), qui fait l'objet d'un article dans la revue Nature Communications, devrait aider à identifier sans ambiguïté les paramètres qui limitent actuellement les performances des batteries.

Les batteries lithium-ion sont largement utilisées pour l'électronique portable et les véhicules électriques. Si l’on veut continuer à améliorer leurs performances (capacité de stockage, vitesse de charge, vieillissement…), il est nécessaire de mieux comprendre les variations de composition chimique dans les électrodes au cours de leur fonctionnement liées, en particulier, à la façon dont les ions lithium migrent.

Cette information peut en principe être obtenue en imagerie par résonance magnétique (IRM) plus couramment utilisée dans le domaine médical. Mais enregistrer ce type d’image reste un challenge car les signaux RMN émis par les matériaux constituant la batterie ont une durée de vie très courte ce qui les rend difficiles à détecter.

Les chercheurs du Laboratoire « Conditions extrêmes et matériaux : haute température et irradiation » ont développé une nouvelle méthode d’acquisition qui combine spectroscopie RMN et IRM en utilisant le plus fort champ magnétique pulsé commercialisé à ce jour. Ils sont ainsi parvenus à raccourcir suffisamment le temps de la mesure pour pouvoir détecter les signaux à courte durée de vie. Ils ont alors obtenu la première image spectroscopique en résonance magnétique du lithium pour une batterie de 5mm de diamètre en fonctionnement, avec une résolution de 100 microns.

L’évolution des images spectroscopiques au cours du fonctionnement de la batterie leur a permis de visualiser in-situ le déplacement des ions lithium à l'intérieur d’électrodes modèles. L’analyse de ce type d’images images devrait aider à identifier sans ambiguïté les paramètres limitant les performances des batteries à capacité de stockage élevée et à charge rapide, donnant ainsi des pistes aux chimistes pour les améliorer. Cette technique non invasive ouvre également des perspectives pour l’imagerie de tous types de matériaux présentant des signaux RMN de courte durée de vie.

 

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Référence

Mingxue Tang, Vincent Sarou-Kanian, Philippe Melin, Jean-Bernard Leriche, Michel Ménétrier, Jean-Marie Tarascon, Michaël Deschamps & Elodie Salager

Following Lithiation Fronts in Paramagnetic Electrodes with in situ Magnetic Resonance Spectroscopic Imaging

Nature Commun. 3 novembre 2016
DOI : 10.1038/ncomms13284

Contact

Elodie Salager
Chercheuse au CEMHTI / CNRS
Sophie Félix
Chargée de communication
Stéphanie Younès
Responsable Communication - Institut de chimie du CNRS
Christophe Cartier dit Moulin
Chercheur à l'Institut parisien de chimie moléculaire & Chargé de mission pour la communication scientifique de l'INC