La durée de vie des batteries lithium-ion chargées à fort courant augmente de 50 %

Les chercheurs découvrent une méthode surprenante pour améliorer les performances des batteries

• Pourquoi la première charge d’une batterie lithium-ion est cruciale

  • La première charge d’une batterie est une étape déterminante qui conditionne ses performances et sa durée de vie
  • Selon une étude du SLAC-Stanford Battery Center, effectuer la première charge à fort courant augmente la durée de vie de la batterie de 50 % et réduit le temps de charge initial de 10 heures à 20 minutes

• Amélioration des performances grâce au machine learning scientifique

  • L’équipe de recherche a utilisé le machine learning scientifique pour identifier des changements spécifiques dans les électrodes de la batterie
  • Ces changements apportent des enseignements importants pour aider les fabricants à optimiser leurs procédés et améliorer leurs produits

• Contexte de l’étude et collaboration

  • L’étude a été menée en collaboration entre l’équipe SLAC/Stanford, le Toyota Research Institute (TRI), le MIT et l’University of Washington
  • Dans le cadre des recherches du SLAC sur la durabilité, elle contribue à rendre plus abordables des technologies clés pour la transition énergétique

• Impact concret sur la fabrication des batteries

  • Les résultats ont des implications pratiques non seulement pour les véhicules électriques et les réseaux électriques, mais aussi pour d’autres technologies
  • La fabrication des batteries est un processus gourmand en capital, en énergie et en temps, et difficile à optimiser
  • Les résultats proposent une approche générale pour comprendre et optimiser une étape clé de la fabrication des batteries

La couche « compressible », clé des performances de la batterie

• Comprendre les cycles initiaux de la batterie

  • L’équipe a fabriqué des pouch cells dans lesquelles la cathode et l’anode sont entourées d’une solution électrolytique
  • Lorsque la batterie se charge, les ions lithium migrent vers l’anode pour y être stockés
  • Lorsque la batterie se décharge, les ions lithium repartent vers la cathode, ce qui permet le flux d’électrons

• L’importance de la couche SEI

  • Lors de la première charge, une partie du lithium devient inactive et forme une couche SEI (interface électrolyte solide)
  • La couche SEI protège l’anode et prolonge la durée de vie de la batterie

Un courant de charge élevé améliore les performances de la batterie

• Les limites de l’approche traditionnelle à faible courant

  • Les fabricants effectuent généralement la première charge à faible courant pour former la couche SEI
  • Cependant, la charge à faible courant prend beaucoup de temps et coûte cher

• Les avantages de la charge à fort courant

  • L’équipe a confirmé des résultats de recherche récents montrant qu’une charge à fort courant ne dégrade pas les performances de la batterie
  • La charge à fort courant augmente la durée de vie de la batterie de 50 % et accroît le taux initial d’inactivation du lithium

• Optimisation grâce au machine learning scientifique

  • L’équipe a utilisé le machine learning scientifique pour identifier les facteurs les plus importants
  • La température et le courant de charge sont apparus comme les paramètres les plus déterminants

Présentation du SLAC

• SLAC National Accelerator Laboratory
  • Le SLAC est un laboratoire de recherche qui explore les principes fondamentaux de l’univers et de la matière, tout en développant des outils puissants
  • Fort de plus de 60 ans de recherche, il ouvre la voie dans des domaines variés comme les technologies quantiques, le calcul scientifique et le développement d’accélérateurs de nouvelle génération

Le récapitulatif de GN⁺

• Cette étude présente une méthode permettant d’augmenter de 50 % la durée de vie des batteries lithium-ion en optimisant leur première charge
• En s’appuyant sur le machine learning scientifique, elle identifie les facteurs clés et détermine les conditions de charge optimales
• Elle fournit aux fabricants de batteries des enseignements précieux pour améliorer leurs procédés et réduire leurs coûts
• Cette recherche pourrait avoir des effets concrets non seulement sur les véhicules électriques et les réseaux électriques, mais aussi sur d’autres technologies
• Parmi les produits dotés de fonctionnalités similaires figurent la technologie de batterie de Tesla et les solutions de batteries de Panasonic

[GN⁺]

Avis Hacker News

• Ayant travaillé dans l’industrie, je suis un peu sceptique à propos de cette étude. Avec des conditions de charge initiales différentes, on aurait peut-être pu obtenir de meilleures performances

  • Je me demande dans quelle mesure la croissance de la SEI modifie l’impédance de la cellule, et quel impact cela a sur la capacité

• Si ce résultat est confirmé en production, c’est une découverte très intéressante. Une variable de processus cachée devient clairement visible

• J’ai pu redonner vie à une batterie au lithium complètement déchargée en la connectant pendant quelques secondes à une batterie entièrement chargée

• TLDR : pendant la charge initiale de « formation » de la batterie, une partie du lithium devient inactive et forme une couche protectrice (SEI) autour de l’anode. L’étude a constaté qu’en utilisant un courant initial plus élevé, 30 % devient de la SEI. Cela réduit la capacité de la batterie, mais renforce la couche protectrice de l’électrode et offre une meilleure durée de vie au fil des cycles de charge

• Si une bonne couche de SEI est importante, je me demande s’il ne serait pas possible de préformer cette couche sur l’électrode avant d’assembler la batterie. On pourrait alors rendre la forme de la couche plus uniforme

• Je suis perplexe… je me demande s’il s’agit d’une prédiction ou de quelque chose vérifié expérimentalement

• Un article récent a montré qu’en chargeant avec le double de courant sous forme d’onde carrée à une fréquence de 2khz, la dégradation de la batterie disparaissait presque complètement

• Qu’est-ce que la durée de vie d’une batterie ? Une dégradation de capacité, ou bien des pannes aléatoires ?

  • Si cette découverte ralentit la dégradation de capacité mais rend les batteries de VE 100 fois plus susceptibles de tomber spontanément en panne ($$$), ce n’est pas une véritable amélioration. Pour les appareils grand public, cela pourrait convenir

• C’est peut-être une façon de « brûler » la microstructure afin de rendre la formation de filaments plus stable, un peu comme l’électricité haute tension grave le bois

• TL;DR un courant élevé fait se former la couche différemment sur l’anode (et évidemment plus vite). On pensait auparavant qu’une charge initiale lente conduisait à une meilleure formation. C’est une amélioration incrémentale par ajustement du processus, pas un changement fondamental