Un récent projet de fabrication de batteries dirigé par le Laboratoire national des énergies renouvelables (NREL) du Département américain de l’énergie – affectueusement appelé BatMan – a développé un nouveau processus de structuration au laser pour modifier la microstructure des matériaux des électrodes de batterie . Ce processus de fabrication a le potentiel de débloquer des améliorations significatives du transport électrifié.
« BatMan s’appuie sur l’expertise du NREL en utilisant l’ablation laser, des modèles informatiques avancés et la caractérisation des matériaux pour relever les principaux défis de la fabrication de batteries », a déclaré Bertrand Tremolet de Villers, co-responsable du projet et scientifique principal au sein du groupe Thin Film and Manufacturing Sciences du NREL.
« Ce nouveau processus de modélisation laser à haut débit, démontré à grande échelle avec des techniques de fabrication roll-to-roll de pointe, utilise des impulsions laser pour modifier et optimiser rapidement et précisément les structures d’électrodes , offrant ainsi une avancée considérable dans les capacités des batteries. avec un coût de fabrication supplémentaire minimal.
Selon Tremolet de Villers et son équipe, la composition matérielle, l’épaisseur et la conception structurelle des électrodes peuvent avoir un impact sur la capacité, la tension et la vitesse de charge de la batterie. Par exemple, doubler l’épaisseur des électrodes de 50 μm à 100 μm augmente la densité énergétique d’une cellule de batterie d’environ 16 %. Cependant, cette épaisseur accrue rend plus difficile la charge rapide de la batterie sans causer de dommages à long terme dus au placage au lithium, ce qui réduit la durée de vie de la batterie .
Compte tenu de cet état de fait, l’industrie des véhicules électriques a besoin d’une conception de batterie révolutionnaire qui combine les avantages d’électrodes plus épaisses et d’une charge rapide sans augmenter les coûts de fabrication. L’équipe de recherche de BatMan répond à l’appel avec un processus qui optimise les structures des électrodes et rationalise la production de batteries.
Le réseau de pores
Des recherches antérieures du NREL ont mis en lumière comment des motifs complexes de minuscules trous dans une électrode, connus sous le nom de réseau de pores, peuvent débloquer des améliorations de la batterie. Ces pores microscopiques créent des points d’accès pour augmenter la diffusion ionique, permettant aux ions de se déplacer plus rapidement pendant la charge et la décharge sans endommager la batterie. Bonus de fabrication, ces pores accélèrent également la saturation de l’électrolyte lors du processus de mouillage, qui consiste à injecter un électrolyte liquide dans la cellule pour faciliter la circulation des ions entre les électrodes.
“Les premières conversations entre les chercheurs sur les batteries du NREL et les scientifiques des matériaux ont révélé une opportunité d’utiliser l’ablation laser pour configurer ces réseaux de pores”, a déclaré Donal Finegan, co-responsable du projet et scientifique principal du groupe de stockage d’énergie du NREL. « Avec le soutien de nos partenaires industriels, BatMan a établi un nouveau processus pour intégrer cette technique dans la fabrication des batteries. Mais d’abord, nous devions savoir quels types de pores apporteraient les plus grands avantages à la batterie.
Algorithmes génétiques
Pour évaluer différentes formes, profondeurs et distributions de canaux poreux, les chercheurs se sont tournés vers le modèle de diffusion analytique d’optimisation de la conception du réseau de pores secondaires de batterie lithium-ion de NREL. L’algorithme génétique a également pris en compte les limitations matérielles spécifiques du laser utilisé pour créer les pores. Ces modèles avancés ont permis d’identifier la disposition optimale des pores : un motif hexagonal de pores soumis à une ablation laser avec une profondeur de 50 % de l’épaisseur du revêtement de l’électrode. L’étude a également révélé que l’ajout de canaux droits sur toute la largeur de l’électrode améliorait considérablement le mouillage de l’électrode par rapport aux électrodes non structurées.
Une fois un réseau de pores cibles identifié, l’équipe BatMan a commencé à travailler sur le prototypage et la caractérisation à petite échelle de l’électrode à motif laser. Les scientifiques ont utilisé un système laser femtoseconde d’Amplitude Laser Group avec une optique de balayage à grande vitesse contrôlée par un galvanomètre pour l’ablation laser, travaillant en étroite collaboration avec l’équipe d’Amplitude pour obtenir un contrôle précis du laser en fonction de la position, de la puissance, de la fréquence et du nombre d’impulsions.
« Notre collaboration avec NREL a permis d’intégrer le laser dans leurs capacités de recherche existantes pour soutenir les objectifs du projet BatMan », a déclaré Quentin Mocaer, responsable hiérarchique chez Amplitude. « Nous avons également reçu des informations précieuses sur la manière dont les futures conceptions de systèmes et les nouvelles technologies pourraient encore améliorer ce processus à l’échelle industrielle. »
Les chercheurs du NREL ont appliqué des outils de caractérisation avancés pour évaluer les performances des électrodes ablation laser. Tout d’abord, les chercheurs ont appliqué la tomodensitométrie à rayons X et la microscopie électronique à balayage pour analyser les caractéristiques morphologiques de la structure de l’électrode et valider les améliorations de la batterie. Ensuite, les modèles multiphysiques du NREL ont illustré comment une meilleure uniformité des structures réduisait le risque de placage au lithium lors d’une charge rapide. Enfin, l’équipe BatMan a assemblé de petites cellules de batterie pour évaluer les architectures d’électrodes optimisées en action. L’analyse électrochimique des cellules ayant subi une ablation laser a démontré des performances de charge rapide supérieures, avec une capacité supérieure de près de 100 % après 800 cycles.
Rouler à rouler
Après de nombreux cycles d’ablation laser, de caractérisation et d’ajustement, il était temps d’intensifier le processus pour une démonstration à haut débit. La plupart des usines de fabrication de batteries utilisent une ligne de traitement continue à rouleaux, connue sous le nom de ligne roll-to-roll, qui lie le mélange de matériaux actifs sur une surface en aluminium. Les chercheurs ont utilisé la ligne roll-to-roll de NREL pour démontrer et réduire les risques de la compatibilité de ce nouveau processus afin d’encourager son adoption par les fabricants de batteries.
“Après près de trois ans de recherche, notre équipe a traité avec succès 700 mètres de matériau d’électrode double face, prouvant que l’ablation laser est une technique évolutive et économiquement réalisable pour la production roll-to-roll de batteries lithium-ion”, a déclaré Finegan. “L’ampleur de cette démonstration était unique au NREL et montre comment le soutien stratégique des laboratoires peut faire progresser les processus industriels.”
NREL a renvoyé le matériau d’électrode optimisé au partenaire de fabrication de BatMan, Clarios, où les experts ont assemblé des batteries de 27 Ah commercialement pertinentes pour une évaluation plus approfondie. Une inspection précoce à l’aide de l’imagerie acoustique EchoStat de Liminal Insights indique que les électrodes ablationnées au laser mouillent plus rapidement et plus uniformément que les cellules de base. Des diagnostics non destructifs supplémentaires valideront les améliorations de performances attendues et garantiront la sécurité et la qualité des batteries avant que cette technologie n’entre sur le marché.
Le temps nous dira combien de temps il faudra avant que les cellules par ablation laser soient intégrées aux véhicules électriques, mais l’équipe du NREL est optimiste. L’analyse technico-économique du processus de structuration laser estime un coût supplémentaire minime pour la fabrication des batteries, inférieur à 1,50 $/kWh, soit moins de 2 %, et les avantages en termes de performances sont indéniables. Les chercheurs du NREL ont également découvert que les débris de graphite collectés au cours du processus d’ablation laser peuvent être directement réutilisés pour fabriquer de nouvelles cellules de batterie sans aucun impact significatif sur les performances des cellules, ce qui présente l’opportunité de réduire davantage le coût des électrodes d’ablation laser.
“Notre expérimentation à l’échelle du laboratoire montre que les électrodes ablationnées au laser pourraient doubler le taux de charge des véhicules électriques “, a déclaré Finegan. “Il s’agit d’une évolution technologique qui pourrait modifier la fabrication conventionnelle, non seulement pour les batteries lithium-ion, mais également pour la chimie des batteries de nouvelle génération.”
Source : Agence Ecofin
