L'énergie au service de la puissance

Hang Lau

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Temps de lecture : 6 minutes
Voiture électrique en train de se recharger à une station-service en ville, industrie l

Le monde est mû par l'énergie - l'énergie électrique ! Les batteries sont des éléments essentiels de notre vie quotidienne, qu'il s'agisse des téléphones portables, des véhicules électriques ou du stockage de l'énergie dans les réseaux. L'innovation est le moteur de l'industrie des piles, les chercheurs et les fabricants développant de nouveaux matériaux plus performants, plus sûrs et moins coûteux.

Au cours des dix dernières années, on a assisté à une évolution significative vers des options de transport plus respectueuses de l'environnement, et les gouvernements du monde entier ont mis en place des politiques et des mesures incitatives pour promouvoir l'utilisation de l'énergie alimentée par des batteries. Il en résulte une demande sans précédent pour des batteries à la fois plus efficaces et plus rentables. La division TA Instruments de Waters collabore avec ses clients pour les aider à développer de nouveaux matériaux et à optimiser les processus de fabrication des batteries dans une optique d'efficacité et de durabilité.

angle latéral de la batterie lithium-ion

L'énergie au service de votre monde

Les batteries lithium-ion alimentent la plupart des véhicules électriques (VE) dans le monde aujourd'hui. Les fabricants de batteries pour VE utilisent toute la gamme de nos technologies (analyse thermique, rhéologie et microcalorimétrie) pour s'assurer que leurs batteries sont sûres, efficaces, durables et qu'elles peuvent être recyclées de manière appropriée. Qu'il s'agisse d'une analyse complète des matériaux des batteries lithium-ion pour aider les producteurs de batteries à sélectionner les bons composants ou d'un contrôle de la composition chimique des batteries, nous avons travaillé avec trois des cinq principaux fabricants de véhicules électriques pour améliorer les performances, réduire les coûts et garantir la sécurité continue des batteries lithium-ion.

Une batterie lithium-ion est un système complexe composé de plusieurs matériaux qui agissent ensemble pour générer des processus électrochimiques précis. Une batterie fonctionnelle nécessite :

  • Une cathode et une anode pour faciliter l'échange réversible d'ions.
  • Électrolytes pour servir de milieu conducteur.
  • Un séparateur pour éviter les courts-circuits internes.

La chaîne de valeur des batteries pour véhicules électriques devenant de plus en plus complexe et intégrée verticalement, nos technologies continueront à répondre aux besoins essentiels en matière de recherche et d'essais pour ce secteur en pleine croissance.

plaque de recharge pour véhicule électrique rose vif

La science derrière la charge d'une batterie

Comprendre comment les matériaux internes interagissent physiquement et chimiquement pendant le fonctionnement d'une batterie est essentiel pour déterminer les performances à long terme d'une batterie.

La chaleur générée lorsque la batterie est chargée (par exemple, lorsqu'un VE est branché sur sa station de charge) et déchargée (par exemple, lorsqu'un VE roule sur la route) est associée aux réactions électrochimiques dans la cellule de la batterie. Il est essentiel de faire la différence entre la chaleur générée par les réactions électrochimiques de stockage de l'énergie de la batterie et les réactions secondaires parasites qui entraînent une perte de capacité et une augmentation de la production de chaleur résiduelle. Cela permettra de mesurer l'efficacité de la chimie de la cellule (quelle part de l'énergie stockée est perdue dans les réactions secondaires) et la rapidité avec laquelle la cellule se dégradera en cas de fonctionnement continu.

La solution Battery Cycler Microcalorimeter de TA Instruments est une technique non destructive qui permet aux chercheurs d'effectuer des mesures haute résolution, in-operando, du flux de chaleur pendant le cycle électrochimique. En utilisant un microcalorimètre TAM IV et le logiciel TAM Assistant intégré à un potentiostat BioLogic VSP-300, cette plate-forme permet une détection précise et rapide des réactions parasites, qui peut être utilisée pour sélectionner de nouvelles formulations de batteries ou identifier les cellules défectueuses.

tam cell cycler battery lab tech loading
TA Instruments Battery Cycler Microcalorimeter Solution.

Assurer la sécurité des composants critiques d'une batterie

L'amélioration de la sécurité est un autre aspect du développement des batteries. Les réactions exothermiques qui provoquent une augmentation imprévisible de la température de fonctionnement de la batterie peuvent entraîner un emballement thermique, c'est-à-dire un phénomène d'auto-échauffement incontrôlable qui conduit généralement à un incendie.

L'analyse thermique, y compris l'analyse thermogravimétrique (TGA) et la calorimétrie différentielle à balayage (DSC), sont des techniques essentielles utilisées pour déterminer la stabilité thermique, y compris le début d'une réaction exothermique et la chaleur des réactions pour les matériaux de batterie. Le début et la quantité de chaleur libérée pendant la réaction exothermique peuvent aider un ingénieur de batterie à concevoir des systèmes de gestion thermique et à effectuer une évaluation de la sécurité des matériaux de cathode et d'anode dans différents états de charge.

Le séparateur de la batterie est l'un des composants les plus importants pour assurer la sécurité de la batterie.

  • Un séparateur est une membrane polymère poreuse ou conductrice d'ions qui empêche le contact physique entre la cathode et l'anode tout en permettant le transport des ions.
  • Plusieurs techniques peuvent être utilisées pour effectuer l'analyse thermique d'un séparateur de batterie afin de s'assurer qu'il possède la stabilité thermique et mécanique nécessaire pour éviter un court-circuit interne.
  • Les analyseurs mécaniques dynamiques (DMA) peuvent être utilisés pour mesurer les propriétés mécaniques afin de garantir la stabilité mécanique à haute température.

Les propriétés mécaniques sont également importantes pour les composites à haute résistance, qui sont souvent utilisés dans les boîtiers de batteries et les matériaux de modules/emballages. Outre le module et la résistance, les essais de fatigue mécanique sont essentiels pour évaluer la durée de vie (cycle mécanique jusqu'à la rupture) et aident les chercheurs à développer des matériaux à haute durabilité.

Optimiser les produits de batterie pour économiser de l'argent

La fabrication des électrodes représente 20 à 40 % du coût total du bloc-batterie. Elle consiste à mélanger des matériaux actifs, un liant et un additif conducteur dans une boue (un solvant organique des matériaux mélangés), puis à les enduire et à les sécher sur le collecteur de courant. La quantification des matériaux entrants et la caractérisation des boues permettent d'économiser du temps et des coûts de fabrication. La rhéologie est l'une des meilleures techniques pour évaluer les matières premières, la stabilité des boues et les possibilités de traitement lors de l'optimisation du processus de fabrication des électrodes. L'évaluation rhéologique des boues de batteries révèle le changement des caractéristiques sous l'effet d'une contrainte ou d'une force appliquée.

solution de microcalorimétrie pour cycleur de batterie
La solution de microcalorimétrie Battery Cycler intègre le microcalorimètre isotherme TAM IV et le potentiostat BioLogic VSP-300.

Développement des batteries : ce qui se profile à l'horizon

Le traitement des électrodes de batterie sèche (DBE) et les batteries à l'état solide sont les prochaines étapes du développement de l'industrie des batteries afin de réduire les coûts, d'augmenter la densité énergétique et d'améliorer la sécurité.

Les défis liés à la transformation des poudres en films minces exigent de comprendre les mécanismes d'adhésion, le mélange à sec et les processus de mise à l'échelle. La solution Powder Rheology de Waters-TA mesure les propriétés de cohésion des poudres, la limite d'élasticité, la fluidité et la compressibilité, ce qui permet de mieux comprendre le traitement des poudres et de contribuer à l'efficacité globale de la fabrication et à la réduction des déchets.

Les améliorations dans les domaines de la chimie et de la fabrication continueront d'accélérer la technologie des batteries. Nous pensons que la demande d'ingrédients plus durables, plus sûrs et moins chers dans les batteries va continuer à croître ; nous continuerons à soutenir l'innovation et à aider à mettre plus rapidement de nouveaux produits sur le marché. Les plus grandes percées sont peut-être à portée de main, et nous serons là pour faire avancer la science.

Références