Les isotopes du lithium au service de l’étude des matériaux pour batteries Li-ion

Les isotopes du lithium au service de l’étude des matériaux pour batteries Li-ion

Le lithium, on en parle beaucoup, depuis des années, avec toutes les problématiques des batteries Li-ion au service du déplacement motorisé non thermique. Le lithium, qui fait la navette entre électrode positive et électrode négative au cours des cyclages de l’accumulateur, a une fâcheuse tendance à se perdre dans des réactions parasites qui peuvent, certes, protéger les électrodes (dans le cas du graphite par exemple), mais qui correspondent à une perte irréversible de lithium cyclable, donc de capacité énergétique. Afin de mieux comprendre ces phénomènes, et en particulier la formation de cette fameuse SEI (interphase d’électrolyte solide pour les intimes), nous avons démarré au Liten une activité de recherche centrée autour de l’utilisation des isotopes du lithium pour mieux comprendre son comportement (celui du lithium) en cours de cyclage. Il existe quelques publications depuis quelques années utilisant cette approche, jusqu’à présent il s’agissait uniquement d’études centrées autour de la RMN (résonance magnétique nucléaire).

Nous avons innové en proposant une étude centrée autour de la spectrométrie ToF-SIMS. Comme la RMN, c’est une technique d’analyse qui permet de caractériser les isotopes mais jusqu’alors elle n’avait jamais été utilisée comme technique d’analyse isotopique pour des matériaux d’électrode. En réalité ce n’est pas tout à fait vrai : en 2011, Lu et Harris ont réalisé une étude similaire en 2011, mais en observant une SEI se formant directement sur du Cu, ce qui reste assez éloigné d’un matériau réel. nous avons un peu avancé en observant la formation de la SEI toujours avec des isotopes du lithium, mais sur une véritable électrode de graphite : le système est plus compliqué, cependant plus proche de la réalité.

Nos travaux viennent d’être acceptés dans The Journal of Physical Chemistry C . Nous avons pu montrer que la SEI se comportait un peu comme une résine échangeuse d’ions, permettant aux ions lithium de la traverser. Une simulation basée sur un modèle décrivant le relargage des médicaments dans l’organisme (!) nous a également permis de confirmer indirectement l’épaisseur de la partie inorganique de la SEI (moins de 2 nm, c’est très petit), cette partie de la SEI qu’on suspecte de ralentir la diffusion de ces ions lithium.

A noter que la figure du résumé de l’article a été conçu par Renaud Godefroy, qui nous a également proposé une magnifique illustration artistique de l’article en question : la partie à gauche représente les feuiilets de graphite, la partie transparente au milieu la SEI, et les billes rouges et bleues les deux isotopes du lithium (6Li et 7Li) qui naviguent dans le système au cours de l’expérience.

Les isotopes du lithium (en rouge et en bleu) traversant la SEI (au centre)

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