Nouvelles méthodologies de contrôle de qualité en ligne de l’interphase d’électrolyte solide de la batterie
Alors que les véhicules électriques (VE) sont de plus en plus nombreux sur les routes, les batteries demeurent un domaine de recherche essentiel. Pour comprendre et améliorer les processus de charge, de décharge et de vieillissement des batteries de VE, il est nécessaire de caractériser les composants à l’échelle microscopique dans des conditions réelles. Les caractéristiques d’impédance à l’échelle microscopique et nanoscopique des batteries n’ont, à ce jour, fait l’objet d’aucune étude. En première mondiale, le projet NanoBat, financé par l’UE, a comblé cette lacune critique avec des nanotechnologies à radiofréquence gigahertz (GHz) et des outils de mesure de l’impédance à micro-échelle pour les batteries lithium-ion et les batteries au-delà du lithium-ion. Ils soutiendront la production de batteries et la position de leader de l’Europe sur ce marché mondial en pleine croissance.
Zoom sur l’interphase d’électrolyte solide
L’interphase d’électrolyte solide (SEI) de l’électrode, créée au cours d’un processus sophistiqué en fin de chaîne de production des cellules de batterie, représente une part importante des coûts de production des batteries pour VE. Cette couche très fine — moins d’un millième du diamètre d’un cheveu — est essentielle à la performance, à la fiabilité et à la durabilité de la cellule de batterie et présente très souvent des anomalies ou des défauts difficilement détectables. Selon le coordinateur de NanoBat, Ferry Kienberger, de Keysight Technologies en Autriche, «les techniques et modèles de mesure électrique de NanoBat se sont concentrés sur la compréhension et la prévision de la fiabilité de la couche SEI avant que la cellule de la batterie du VE ne soit intégrée dans un module ou un pack de batteries final».
Une boîte à outils à large bande de fréquences pour des techniques à haute résolution dans des conditions de fonctionnement naturelles
En ce qui concerne la microscopie à sonde à balayage, «nous avons étendu la fréquence de fonctionnement du microscope à micro-ondes à balayage à 20 GHz, ce qui a permis de multiplier par 100 la résolution de l’impédance à l’échelle nanométrique par rapport aux microscopes à basse fréquence. Le temps d’imagerie des microscopes est passé d’environ une demi-heure par image à quelques minutes tout en préservant la résolution latérale», explique Ferry Kienberger. «Une méthode de spectroscopie d’impédance électrochimique (SIE) nouvellement étalonnée et dix fois plus sensible à des fréquences allant jusqu’à 100 kHz a permis aux chercheurs d’effectuer des mesures sur de grandes batteries de VE (un pack de 396 cellules) avec une résolution d’impédance de quelques microohms», ajoute Ferry Kienberger. Le système SIE a fait l’objet d’un étalonnage métrologique et d’une vérification dans le cadre d’un essai circulaire avec des fabricants d’équipements d’origine (OEM). Enfin, l’équipe a mis au point une mesure de l’autodécharge pour le contrôle de la qualité des cellules et un nouveau test de séparateur à haute tension. Le premier réduit d’une semaine à 20 minutes le temps de test des cellules dans les lignes de production de batteries pour VE, ce qui limitera le gaspillage de matériaux et le démontage coûteux des packs de cellules défectueux.
Satisfaire les parties prenantes exigeantes, accélérer l’accès
NanoBat a fait la démonstration de ses modèles d’impédance basés sur les nanosciences et de ses méthodes de test métrologique dans le cadre d’une fabrication en ligne pilote et de tests sur le terrain pour les OEM. «Des acteurs notoires dans le domaine de la fabrication de batteries de VE en Europe (BMW et SAFT) sont membres du groupe de parties prenantes de NanoBat et ont collaboré aux recherches et aux publications. Ils réclament la précision et la fiabilité des données ainsi qu’une analyse des incertitudes de haut niveau, autant d’exigences qui ont été parfaitement satisfaites par la communauté NanoBat», fait remarquer Ferry Kienberger. Le partenaire Pleione Energy (Grèce) propose désormais un service de ligne pilote pour batteries de VE, et le partenaire Poland a lancé une plateforme web ouverte pour la caractérisation non destructive des matériaux, tous deux intégrant les résultats de NanoBat. L’Institut fédéral suisse de métrologie propose la nouvelle méthode de microscopie à balayage de NanoBat dans son portefeuille de services. L’énorme engagement sur LinkedIn — jusqu’à 10 000 vues par publication — confirme que NanoBat a réuni diverses unités de recherche comme des universités, des petites entreprises et des acteurs européens majeurs dans l’électrification des voitures et des véhicules, soutenant le pacte vert pour l’Europe et les stratégies de neutralité carbone.
Mots‑clés
NanoBat, VE, batterie VE, cellule de batterie, véhicule électrique, SEI, interphase d’électrolyte solide, SIE, spectroscopie d’impédance électrochimique, microscopie à sonde à balayage