KAIST explique la dégradation en charge rapide avec un jumeau 3D

Au moment de brancher un chargeur rapide, les performances de la batterie ne dépendent pas uniquement de la vitesse de recharge. Une équipe de KAIST a reproduit l’intérieur d’une anode en graphite à l’aide d’un jumeau numérique 3D et a identifié la répartition de la structure de l’électrode comme l’une des causes de la perte de durée de vie lors d’une charge rapide.

L’anode d’une batterie lithium-ion est constituée de graphite, qui stocke le lithium, d’un liant qui maintient les particules ensemble et d’espaces vides où circulent les ions lithium. Lorsque la charge est trop rapide, une partie du lithium peut s’accumuler à la surface du graphite, provoquant un phénomène de dépôt de lithium. La couche d’interface électrolyte solide qui se forme pendant la charge peut également réduire les performances si elle devient trop épaisse ou irrégulière. Comme ces phénomènes se produisent simultanément à l’intérieur de la batterie, il était difficile d’observer directement les changements internes par la seule expérimentation.

L’équipe de Lee Kang-taek, professeur au département de génie mécanique, et de Jo Eun-ae, professeure au département de science et d’ingénierie des matériaux, a calculé des scénarios de charge rapide en faisant varier l’épaisseur de l’électrode, la quantité d’espaces vides et la position du liant. Même des électrodes présentant une capacité de charge totale similaire affichaient des niveaux de dégradation différents selon leur structure interne. En particulier, lorsque le liant était concentré d’un côté de l’électrode, les espaces disponibles pour le passage des ions lithium se réduisaient, ce qui augmentait de plus de 10 % la quantité de lithium plaqué. L’écart se creusait à mesure que l’électrode épaississait.

Les espaces vides ne servent pas uniquement de voies de circulation aux ions lithium : ils permettent également de répartir les contraintes lorsque les particules de graphite se dilatent pendant la charge. Lorsqu’ils sont insuffisants, la marge disponible pour cette dilatation diminue et les contraintes se concentrent dans certaines zones. La piste de conception proposée par l’équipe consiste donc à ne plus se contenter d’ajuster la quantité totale de liant et d’espaces vides, mais à contrôler aussi leur répartition et leur position.

La stratégie de conception proposée par cette étude consiste à prendre en compte non seulement la quantité totale de liant et d’espaces vides dans l’électrode, mais aussi leur répartition et leur position.