Le passage des batteries lithium-ion conventionnelles vers les
batteries tout-solide (ASSB)* est un défi majeur pour la sécurité et la densité énergétique. Cependant, les interfaces solide-solide restent mal comprises. En combinant l'expertise du
CEA-Irig en imagerie synchrotron, le savoir-faire du
CEA-Leti en
micro-fabrication sur silicium* et les capacités de l'ESRF, une plateforme unique a été créée. Elle permet d'imager simultanément la structure de tous les composants d'une microbatterie en fonctionnement avec une résolution micrométrique, dépassant les limites des méthodes de caractérisation classiques.
Pour la première fois, l'évolution structurale complète d'une microbatterie a pu être suivie tout au long d'un cycle complet de charge-décharge grâce à l'imagerie 2D en microdiffraction de rayons X. Cette étude montre que la limite liée à la décharge des
électrodes en
LiCoO2* est due à la formation d'une
couche isolante réversible* à l'interface de l'électrode. L'approche permet aussi d'observer l'électrodéposition du lithium métal dans la microbatterie tout solide sans anode. On accède ainsi directement aux phénomènes physiques aux différentes interfaces essentiels pour concevoir les batteries de demain.
© CEA-Irig & CEA-Leti
Figure : Principe de la mesure operando en microdiffraction sur une microbatterie tout-solide, permettant de localiser les composants principaux grâce à leurs pics de diffraction.
Cette collaboration a permis de mettre en place une plateforme européenne unique dédiée à l'étude
operando et au criblage à haut débit de matériaux pour les batteries tout solide. Les premiers travaux ont démontré la capacité de la plateforme à observer le fonctionnement de microbatteries tout solide en temps réel et à analyser les mécanismes qui limitent leurs performances. Les prochaines évolutions intégreront la
tomographie 3D operando* et
l'analyse structurale à haut débit* afin d'accélérer l'évaluation de nouveaux matériaux et de mieux comprendre les phénomènes de dégradation. À terme, cette plateforme vise à accélérer le développement et le transfert industriel des microbatteries tout solide de nouvelle génération, tout en renforçant les collaborations entre recherche et industrie.
batteries tout-solide (ASSB)* : batteries de nouvelle génération dans lesquelles l'électrolyte liquide est remplacé par un matériau solide (non inflammable, sans risque de fuite en cas de dommage, …) apportant ainsi une meilleure sécurité et garantissant une durée de vie plus élevée.
micro-fabrication sur silicium* : technologie de fabrication des semi-conducteurs permettant de fabriquer des microbatteries intégrées directement sur des puces.
électrode en LiCoO2* : électrode constituée d'oxyde de lithium et de cobalt, qui stocke et libère des ions lithium lors des cycles de charge et de décharge d'une batterie. Dans l'étude présente, le LiCoO2 est déposé sous forme de couche mince par les procédés de micro-fabrication sur silicium.
couche isolante réversible* : réactions à l'interface de l'électrode formant une fine couche isolante (baisse de la conductivité) qui disparaît lors du cycle suivant.
tomographie 3D operando* : technique d'imagerie qui permettra d'observer, en trois dimensions et en temps réel, l'évolution interne de la batterie pendant son fonctionnement. Elle fournira des informations essentielles sur les différents phénomènes physiques se produisant aux interfaces entre les différents matériaux de la batterie.
analyse structurale haut débit* : mesures rapides de centaines de batteries disposées sur un même wafer avec la microdiffraction au synchrotron.
UMR : SyMMES UMR 5819, CEA, CNRS, UGA, Grenoble INP UGA; MEM UMR 9001, CEA, UGA; Léti, CEA.
Financements : CEA.
Collaborations : Battery Pilot Hub de l'ESRF (european synchrotron radiation facility).