Parmi les nombreuses méthodes d'IRM, une toute nouvelle technique d'imagerie de surface a été adaptée au CEA-Iramis pour une analyse rapide de batteries d'appareil portables de type Li-ion. Dans ces systèmes, l'intercalation inhomogène des ions lithium dans les électrodes introduit des inhomogénéités magnétiques locales qui peuvent être révélées par IRM. C'est ce qui a été effectué avec succès sur des électrodes positives LTMO de cellules Li-ion commerciales de type « pouch ».
Pour obtenir ce type d'image IRM, un capteur radiofréquence a spécifiquement été conçu. Il est constitué d'une fine couche de polymère riche en protons entourée d'un ruban de cuivre servant de bobine pour l'excitation RMN. Après une première mesure "à blanc", l'ensemble est placé au contact de l'objet en fonctionnement. Les variations de fréquence de résonance des protons étant liées au champ magnétique local, la cartographie IRM différentielle révèle bien les inhomogénéités de « susceptibilité magnétique » au sein de la batterie.
Cette approche révèle plusieurs avantages. D'une part, elle permet la surveillance non destructive des processus cinétiques à l'œuvre dans les électrodes, avec des résolutions spatiales et temporelles élevées. Ces processus sont associés au phénomène de lithiation qu'explique Konstantin Romanenko, auteur des développements avec ses collègues de l'Iramis : « il s'agit d'une réaction chimique où des atomes de lithium sont insérés dans un matériau ; dans notre étude, au niveau de l'électrode solide de la cellule de type « pouch », cette lithiation est non uniforme ce qui peut induire une diffusion des ions positifs lithium ainsi que des transitions de phase chimiques qui se révèlent par leur signature magnétique. »
Image IRM à balayage de surface d'une cellule "pouch" d'iPhone 5S en cours de décharge (de 30 à 0%) qui révèle les variations de susceptibilité magnétique dans l'électrode liées aux variations locales de concentration en lithium.
Un autre avantage remarquable de la technique réside dans la possibilité de suivre la densité locale du courant électrique, via la cartographie des niveaux de lithiation de l'électrode positive. De plus, elle permet d'observer en temps réel l'homogénéisation de cette lithiation, processus lent se déroulant sur plusieurs heures. Cette nouvelle technique d'IRM à balayage de surface pourrait également être utilisée pour explorer les propriétés magnétiques d'autres types d'électrodes positives. Dans cette perspective, elle apparait pertinente pour aider à la conception de cellules plus performantes dans lesquelles le niveau de lithiation de l'électrode pourrait être ajusté localement.