Peu importe que vous ayez déjà utilisé un téléphone portable ou conduit un véhicule électrique (pas en même temps, s’il vous plaît), vous vous êtes probablement rendu compte que les batteries lithium-ion sont en train de dominer le monde de l’énergie. Elles alimentent nos appareils électroniques portables, nos équipements médicaux vitaux, nos véhicules électriques et le stockage des énergies renouvelables. Au fur et à mesure que le marché se développe, les chercheurs trouvent des solutions pour rendre les batteries Li-ion de plus en plus puissantes, fiables et sûres, tout en réduisant le temps et le coût de production.

Au fur et à mesure que de nouvelles batteries sont développées, la sécurité demeure une préoccupation de premier plan, car les batteries Li-ion ont tendance à surchauffer – à cause d’incidents thermiques, électriques et mécaniques – ce qui conduit dans certains cas à un emballement thermique et à une combustion.

Les techniques d’analyse thermique révèlent comment les matériaux des batteries se comportent face aux contraintes thermiques, ce qui permet aux scientifiques de créer des batteries plus sûres et plus performantes.  Le système de gestion thermique d’une batterie n’est qu’un exemple de cas où les informations sur les propriétés thermiques issues de l’analyse thermique contribuent à la production de batteries plus sûres en garantissant que les températures de fonctionnement restent inférieures au point auquel le matériau de la batterie peut commencer à se dégrader.

Les exemples de recherche suivants montrent comment les principaux laboratoires de développement de batteries Li-ion exploitent les techniques d’analyse thermique ATG, DSC et ATG-MS pour appuyer la conception et le test de produits innovants.

La Calorimétrie différentielle à balayage (DSC) mesure la chaleur absorbée ou libérée quand un échantillon est chauffé, refroidi ou maintenu isotherme.  Le flux de chaleur est déterminé en comparant la différence de flux de chaleur entre un échantillon de matériau et une référence.  La DSC fournit des informations sur la capacité thermique du matériau de la batterie et les transitions de phase telles que le point de fusion (T_m), la chaleur de fusion et la transition vitreuse (T_g).

Les batteries Li-ion fonctionnent habituellement dans une plage de température de -20 à 60 °C, mais des incidents mécaniques, électriques ou thermiques sont susceptibles de provoquer une augmentation ou une diminution excessive de la température à l’intérieur d’une batterie, ce qui peut aboutir à un événement accidentel appelé emballement thermique.  La nature exacte des mécanismes thermodynamiques et cinétiques de l’emballement thermique fait encore l’objet de recherches actives.  Des études montrent que l’étape initiale de l’emballement thermique peut démarrer par la décomposition de l’interface électrolyte solide (IES) entre 80 et 120 °C environ.  À des températures de plus en plus élevées, d’autres matériaux de la batterie commencent à se décomposer et à interagir.

Une étude innovante de Zhou et al. de l’Université de Purdue a utilisé un DSC de TA Instruments pour élaborer un modèle de calcul permettant de comprendre et de prévoir l’emballement thermique.  Leur étude prouve que les interactions entre les électrodes de la batterie déclenchent une faille de sécurité au niveau de la cellule élémentaire.  Leur recherche approfondie nous rapproche un peu plus de la compréhension des mécanismes de l’emballement thermique et nous permet de mieux appréhender la sécurité des batteries.

Les Analyseurs thermogravimétriques (ATG) chauffent un matériau de manière programmée en mesurant son changement de masse au moyen d’une balance analytique très sensible. Une perte de masse signifie qu’il peut y avoir décomposition ou vaporisation, tandis qu’un gain de masse signifie qu’il peut y avoir sorption ou que le matériau réagit avec son environnement gazeux. Les développeurs de batteries font appel à l’ATG pour quantifier l’oxydation, la dégradation thermique et la stabilité thermique. L’analyse thermogravimétrique révèle les températures auxquelles les matériaux des batteries se dégradent, ce qui permet aux chercheurs de choisir les bons matériaux et de fabriquer des batteries performantes et durables.

Les batteries lithium-ion disponibles dans le commerce utilisent des solvants à base de carbonate organique.  Un des désavantages de ces solvants organiques carbonatés est leur caractère inflammable à des températures élevées.  Les électrolytes à base de polymères et de gels constituent une alternative aux solvants organiques carbonatés.  Cresce et al ont utilisé un ATG de TA Instruments pour tester leur système d’électrolyte en gel d’acrylate facile à fabriquer dans une batterie lithium-ion à base aqueuse. Ils ont découvert que leur gel change de composition au-delà de 90 °C. Par conséquent, leur batterie est plus intéressante que les batteries à électrolyte organique utilisant le sel LiPF₆, qui se détériore dès 70 °C. L’équipe de recherche de Cresce a bénéficié des mesures précises de l’ATG sur la variation de masse des électrolytes gélifiés à différentes températures, permettant de tirer des conclusions sûres concernant la sécurité de leurs conceptions.

Kohlmeyer et al ont choisi une approche différente et ont conçu une nouvelle combinaison d’électrolyte et de séparateur pour le fonctionnement des batteries à haute température. Ils ont étudié la stabilité thermique de leurs membranes sur un ATG de TA Instruments.  Il a été prouvé que le LiFePO₄//graphite utilisé dans la conception de membrane et d’électrolytes pouvait fonctionner à 120 °C avec une cyclabilité excellente, ce qui est nettement supérieur à la température de fonctionnement des batteries Li-ion traditionnelles. Cette avancée ouvre la voie à un avenir de batteries Li-ion pouvant fonctionner en toute sécurité à des températures plus élevées que jamais.

Les exemples ci-dessus illustrent comment la DSC et l’ATG peuvent être utilisées pour mesurer les profils thermiques des matériaux de batteries, contribuant ainsi grandement à améliorer les matériaux et la sécurité des batteries. Les scientifiques peuvent également utiliser ces méthodes conjointement avec la technique complémentaire de l’analyse des gaz émis (EGA).  Les chercheurs spécialisés dans les batteries peuvent utiliser l’EGA pour analyser les gaz qui se dégagent lors d’une mesure thermique sur un ATG.

L’ATG-MS est une technique qui combine l’analyse thermogravimétrique (ATG) et la spectrométrie de masse (MS), permettant d’obtenir des données sur la stabilité thermique et de se faire une idée de la composition chimique des gaz dégagés (il est également possible d’associer la GC/MS et la FT-IR à l’ATG).  L’un des avantages est qu’il n’y a pas de préparation d’échantillon supplémentaire à celle requise pour une simple expérience d’ATG.

Les sels de lithium traditionnels, notamment le LiPF₆, peuvent émettre des produits gazeux toxiques et dangereux lors de la dégradation thermique, par exemple de l’acide fluorhydrique (HF).  Les alternatives aux sels de lithium traditionnels sont un domaine de recherche actif pour la fabrication des batteries Li-ion plus sûres.  Paillet et. al. ont démontré la puissance de leur ATG-MS de TA Instruments dans la caractérisation du sel de lithium 4,5-dicyano-2-(trifluorométhyl) imidazolide (LiTDI) destiné aux batteries lithium-ion. Le sel LiTDI a été comparé au LiPF₆ communément utilisé.  L’étude de Paillet a démontré que la stabilité thermique du LiTDI par rapport au LiPF₆ était considérablement meilleure pour le LiTDI (285 °C contre 164 °C).  Les auteurs ont aussi démontré que le LiTDI était plus sûr quant à l’émission de gaz HF.   Ils y sont parvenus en détectant le rapport masse/charge m/z 19 en fonction de la température dans leur étude d’ATG-MS. Le LiTDI a montré moins d’émission de HF par rapport au LiPF₆ tout en démontrant une capacité de puissance identique au LiPF₆, constituant un électrolyte prometteur pour les futures batteries Li-ion avec une amélioration considérable de la sécurité.

La DSC, l’ATG et l’ATG-MS ont été déterminantes dans les découvertes mentionnées ici. De l’analyse approfondie des matériaux de la batterie aux performances de toute la batterie, ces techniques ont permis aux chercheurs de déterminer quelles conceptions étaient sûres et efficaces dans des conditions spécifiques. Ils avaient tous pour objectif de repousser les limites des batteries Li-ion afin d’en améliorer les performances à haute température, ce qui est une tendance qui ne manquera pas de se poursuivre étant donné que les batteries Li-ion sont de plus en plus utilisées dans les appareils et les applications de tous les jours.

* Remarque : Certains des instruments utilisés dans ces références emploient des modèles de génération précédente. Les instruments présentés dans cet article illustrent les modèles de la génération actuelle avec des informations détaillées sur leurs capacités de test.