Les batteries Li-ion voient leur performance diminuer au fil du temps. Ce vieillissement est aggravé dans les cellules utilisant des électrodes composites de silicium-graphite – le silicium étant choisi pour répondre à la demande croissante de densités énergétiques élevées. Il est donc essentiel de comprendre l'apparition de défauts susceptibles de compromettre le cycle de vie de ces batteries à haute densité d'énergie.
Pour répondre à cette question, une collaboration internationale impliquant l'Irig a combiné des techniques d'imagerie neutronique à l'ILL et de tomographie X à l'ESRF (Grenoble) pour observer en temps réel les changements microstructuraux survenant à l'intérieur d'une petite batterie Li-ion cylindrique, assemblée par le partenaire industriel (Varta).
- Les chercheurs observent des zones endommagées dans l'anode silicium-graphite causées par la présence d'agrégats de silicium d'une taille supérieure à 50 microns.
- Des déformations macroscopiques sont également visibles sur la structure en spirale du collecteur de courant en cuivre dans les mêmes régions.
- Dès le premier cycle d'utilisation, ces zones ne se rechargent pas efficacement, les voies de diffusion du lithium étant fortement entravées par l'excès local de silicium.
Dès la première lithiation, les agrégats de silicium les plus gros se dilatent très fortement et irréversiblement et diminuent à hauteur de 10 % la capacité totale de la batterie. Cependant, en dessous d'un diamètre de 50 µm de diamètre, les agrégats sont bénins : l'anode conserve son intégrité et la cellule ne subit pas de dommages mécaniques.
Il est recommandé d'accorder une attention particulière au processus de fabrication par voie humide de l'électrode, en homogénéisant au maximum la teneur en silicium dans l'anode composite de graphite, notamment si les fabricants souhaitent encore augmenter la teneur en silicium de l'électrode.
Ces travaux associant l'Irig, l'ILL, l'ESRF, le laboratoire autrichien Materials Center Leoben et la société Varta (Autriche) ont été réalisés dans le cadre de deux projets européens.