Des chercheurs découvrent une méthode surprenante pour améliorer les performances d’une batterie
par Glennda Chui pour SLAC Information
Stanford CA (SPX) 01 septembre 2024
La première cost d’une batterie lithium-ion est plus importante qu’il n’y paraît. Elle détermine la qualité et la durée de fonctionnement de la batterie, notamment le nombre de cycles de cost et de décharge qu’elle peut supporter avant de se détériorer.
Dans une étude publiée dans Joule, des chercheurs du SLAC-Stanford Battery Heart rapportent que donner aux batteries cette première cost à des courants inhabituellement élevés a augmenté leur durée de vie moyenne de 50 % tout en réduisant le temps de cost preliminary de 10 heures à seulement 20 minutes.
Tout aussi essential, les chercheurs ont pu utiliser l’apprentissage automatique scientifique pour identifier les changements spécifiques dans les électrodes de la batterie qui expliquent cette augmentation de la durée de vie et des performances – des informations précieuses pour les fabricants de batteries qui cherchent à rationaliser leurs processus et à améliorer leurs produits.
L’étude a été menée par une équipe du SLAC/Stanford dirigée par le professeur Will Chueh en collaboration avec des chercheurs du Toyota Analysis Institute (TRI), du Massachusetts Institute of Expertise et de l’Université de Washington. Elle s’inscrit dans le cadre des recherches du SLAC sur la durabilité et d’un effort plus vaste visant à repenser notre avenir énergétique en exploitant les outils et l’experience uniques du laboratoire et les partenariats avec l’industrie.
« C’est un wonderful exemple de la façon dont le SLAC utilise la science de la fabrication pour rendre les applied sciences essentielles à la transition énergétique plus abordables », a déclaré Chueh. « Nous résolvons un véritable défi auquel l’industrie est confrontée ; il est essentiel que nous collaborions avec l’industrie dès le départ. »
Il s’agit de la dernière d’une série d’études financées par le TRI dans le cadre d’un accord de recherche coopérative avec le laboratoire nationwide d’accélérateur SLAC du ministère de l’Énergie.
Les résultats ont des implications pratiques pour la fabrication non seulement de batteries lithium-ion pour les véhicules électriques et le réseau électrique, mais aussi pour d’autres applied sciences, a déclaré Steven Torrisi, chercheur principal au TRI qui a collaboré à la recherche.
« Cette étude est très enthousiasmante pour nous », a-t-il déclaré. « La fabrication de batteries est extrêmement coûteuse en capital, en énergie et en temps. Il faut beaucoup de temps pour lancer la fabrication d’une nouvelle batterie et il est très difficile d’optimiser le processus de fabrication automotive de nombreux facteurs entrent en jeu. »
Torrisi a déclaré que les résultats de cette recherche « démontrent une approche généralisable pour comprendre et optimiser cette étape cruciale de la fabrication des batteries. De plus, nous pourrions être en mesure de transférer ce que nous avons appris à de nouveaux processus, installations, équipements et compositions chimiques de batteries à l’avenir. »
Une « couche moelleuse » essentielle aux performances de la batterie
Pour comprendre ce qui se passe pendant le cycle preliminary de la batterie, l’équipe de Chueh construit des cellules de poche dans lesquelles les électrodes positives et négatives sont entourées d’une resolution électrolytique dans laquelle les ions lithium se déplacent librement.
Lorsqu’une batterie se cost, les ions lithium circulent dans l’électrode négative pour être stockés. Lorsqu’une batterie se décharge, ils ressortent et se dirigent vers l’électrode optimistic, ce qui déclenche un flux d’électrons pour alimenter les appareils, des voitures électriques au réseau électrique.
L’électrode optimistic d’une batterie nouvellement fabriquée est remplie à 100 % de lithium, a déclaré Xiao Cui, chercheur principal de l’équipe informatique des batteries du laboratoire de Chueh. Chaque fois que la batterie traverse un cycle de charge-décharge, une partie du lithium est désactivée. La réduction de ces pertes prolonge la durée de vie de la batterie.
Curieusement, une façon de minimiser la perte globale de lithium est de perdre délibérément un pourcentage essential de la réserve initiale de lithium lors de la première cost de la batterie, a expliqué Cui. C’est comme faire un petit investissement qui rapporte de bons rendements à lengthy terme.
Cette perte de lithium au premier cycle n’est pas vaine. Le lithium perdu fait partie d’une couche molle appelée interphase électrolytique solide, ou SEI, qui se forme à la floor de l’électrode négative lors de la première cost. En retour, l’interphase électrolytique solide protège l’électrode négative des réactions secondaires qui accéléreraient la perte de lithium et dégraderaient la batterie plus rapidement au fil du temps. Obtenir le bon SEI est si essential que la première cost est connue sous le nom de cost de formation.
« La formation est l’étape finale du processus de fabrication », a déclaré Cui, « donc si elle échoue, toute la valeur et tous les efforts investis dans la batterie jusqu’à ce level sont gaspillés. »
Un courant de cost élevé améliore les performances de la batterie
Les fabricants chargent généralement les nouvelles batteries avec des courants faibles pour la première fois, en partant du principe que cela créera la couche SEI la plus robuste. Mais il y a un inconvénient : la cost à faible courant prend du temps et coûte cher et ne donne pas nécessairement des résultats optimaux. Ainsi, lorsque des études récentes ont suggéré qu’une cost plus rapide avec des courants plus élevés ne dégrade pas les performances de la batterie, c’était une nouvelle enthousiasmante.
Mais les chercheurs ont voulu aller plus loin. Le courant de cost n’est qu’un des dizaines de facteurs qui entrent en jeu dans la formation du SEI lors de la première cost. Tester toutes les combinaisons possibles de ces facteurs en laboratoire pour voir laquelle fonctionne le mieux est une tâche écrasante.
Pour réduire le problème à une taille raisonnable, l’équipe de recherche a utilisé l’apprentissage automatique scientifique pour identifier les facteurs les plus importants pour obtenir de bons résultats. À leur grande shock, seuls deux d’entre eux – la température et le courant de cost de la batterie – se sont distingués de tous les autres.
Les expériences ont confirmé que la cost à courant élevé a un impression considérable, augmentant la durée de vie de la batterie de take a look at moyenne de 50 %. Elle désactive également un pourcentage beaucoup plus élevé de lithium en amont – environ 30 %, contre 9 % avec les méthodes précédentes – mais cela s’est avéré avoir un effet positif.
Retirer plus d’ions lithium en amont revient un peu à puiser de l’eau dans un seau plein avant de le transporter, explique Cui. L’espace libre supplémentaire dans le seau diminue la quantité d’eau qui éclabousse en cours de route. De la même manière, la désactivation de plus d’ions lithium pendant la formation du SEI libère de l’espace libre dans l’électrode optimistic et permet à l’électrode de fonctionner de manière plus efficace, améliorant ainsi les performances ultérieures.
« L’optimisation de la pressure brute par essais et erreurs est une pratique courante dans le secteur manufacturier : remark devons-nous effectuer la première cost et quelle est la combinaison gagnante de facteurs ? », a déclaré Chueh. « Ici, nous ne voulions pas seulement identifier la meilleure recette pour fabriquer une bonne batterie ; nous voulions comprendre remark et pourquoi elle fonctionne. Cette compréhension est essentielle pour trouver le meilleur équilibre entre les performances de la batterie et l’efficacité de fabrication. »
Cette recherche a été financée par le Toyota Analysis Institute dans le cadre de son programme Accelerated Supplies Design and Discovery.
Rapport de recherche :L’analyse des données sur la formation des batteries révèle le rôle de l’utilisation des électrodes dans l’allongement de la durée de vie du cycle
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