Q&A : Faire progresser la conception des batteries lithium-ion pour une charge rapide en 10 minutes

Le Dr Tanvir Tanim et son équipe au Laboratoire national de l'Idaho ont conçu des batteries lithium-ion qui peuvent être chargées en 10 à 15 minutes à une station de recharge routière. Ils ont développé un algorithme d'apprentissage automatique qui détecte le placage de lithium indésirable qui pourrait se produire sous ces conditions.

Tech Briefs : Comment le projet a-t-il commencé ?

Dr Tanvir Tanim : Nous nous sommes impliqués dans le programme de charge ultra-rapide, qui était parrainé par le Bureau de la technologie des véhicules du Département de l'Énergie en 2017. L'objectif était de permettre la charge ultra-rapide (XFC) dans les batteries lithium-ion — 10 à 15 minutes de charge environ — essentiellement pour rendre l'expérience de recharge des VE comparable à l'expérience de ravitaillement des véhicules à essence. C'est l'une des considérations majeures pour les consommateurs de véhicules électriques.

Pour ce programme, nous testions beaucoup de batteries lithium-ion à des taux de charge extrêmement rapides. Quand vous chargez ces batteries à des taux élevés, vous rencontrez de nombreux problèmes — le placage de lithium est l'un des majeurs. Les batteries contiennent une quantité finie de lithium, donc vous ne voulez pas qu'il se perde pendant la charge et la décharge, vous voulez qu'il circule d'avant en arrière de l'anode à la cathode. Pendant la charge rapide, cependant, le lithium cyclable peut être plaqué sur la surface de l'anode, ce qui est une réaction parasite indésirable — le lithium plaqué ne peut pas être récupéré — pendant la décharge, il ne peut pas retourner à la cathode.

Il y a d'autres problèmes avec le placage. Si vous ne le détectez pas tôt, il continuera à se produire et pourrait aboutir à un événement catastrophique. Par exemple, le Li plaqué pourrait prendre une forme dendritique et pousser comme une aiguille depuis l'anode et pourrait percer le séparateur, créant un court-circuit interne.

Donc, nous testions beaucoup de batteries lithium-ion, faisions des modifications de design, puis retestions pour voir si le placage de lithium se produisait. À ce moment-là, cependant, nous n'avions pas une bonne façon de détecter le placage. Après les tests, nous ouvrions la cellule pour voir s'il y avait du placage, ou nous faisions des tests supplémentaires post-test. Nous n'avions vraiment pas de méthode solide de détection de placage de lithium basée sur des signatures électrochimiques mais nous apprenions beaucoup.

Ensuite, nous nous sommes impliqués dans un programme différent, appelé apprentissage automatique basé sur la physique, également financé par le DOE. L'objectif de ce programme était de développer des algorithmes basés sur l'intelligence artificielle/apprentissage automatique pour obtenir une projection fiable de la durée de vie de la batterie ainsi que l'identification des causes profondes sous-jacentes de la dégradation. À ce moment-là, nous avions collecté beaucoup de données et généré une compréhension complète des différents modes et mécanismes de dégradation. Nous avons pensé, puisque nous avons toutes ces données, et que nous connaissons les signatures électrochimiques qui se rapportent au placage de lithium, pourquoi ne pas formuler cela en un problème d'apprentissage automatique. Nous pourrions utiliser les signatures électrochimiques, y apporter l'apprentissage automatique, et voir si cela pourrait nous aider à trouver une stratégie pour détecter le placage de lithium.

Une chose en a entraîné une autre, et nous avons atteint la conclusion que cela pourrait être une très belle méthode pour détecter le placage de lithium tôt, sans ouvrir la cellule. Ouvrir la cellule et faire des tests post-test prend du temps, est coûteux, et retarde le développement du cycle de vie de la batterie.

Tech Briefs : Donc, votre méthode était de détecter certaines signatures électrochimiques ?

Tanim : À ce moment-là, nous avions des tonnes de données électrochimiques, et avions acquis une bonne compréhension de la physique derrière. Nous avons identifié les signatures électrochimiques clés qui pouvaient être liées au placage de lithium. Ensuite, nous avons travaillé avec ces données, y avons apporté l'apprentissage automatique, et résolu le problème que nous avions formulé à ce moment-là.

Tech Briefs : Pourriez-vous me dire quelque chose sur quels types particuliers de données vous avez utilisés ?

Tanim : Nous nous concentrions principalement sur les données électrochimiques parce qu'on peut les collecter facilement — en fait, pendant les tests, nous cherchons toujours des signatures électrochimiques pour décrire les problèmes de vie et de performance dans les batteries lithium-ion. Les signatures typiques sont la tension, le courant, la température, et ainsi de suite. Vous pouvez convertir ces signatures en différentes variables secondaires. Par exemple, nous avons regardé la capacité de décharge et les tendances de perte de capacité, leur linéarité ou non-linéarité. Aussi, la tension de repos en fin de charge, la tension de fin de décharge et comment elles changent au fil des cycles, et en plus, l'efficacité coulombique.

Tech Briefs : Que signifie la capacité de décharge ?

Tanim : Si vous utilisez la batterie, vous en tirez de l'énergie, c'est ce qu'on appelle la décharge. Une des mesures de capacité est l'ampère-heure.

Tech Briefs : Et la perte de capacité ?

Tanim : Une nouvelle batterie a une certaine capacité — disons un ampère-heure. Avec le cyclage, cette capacité va diminuer. La perte de capacité (ou d'énergie) est le pourcentage de diminution. Dans les cas normaux, la tendance de diminution sera assez linéaire, particulièrement dans les cycles initiaux. Mais avec le placage de lithium, la tendance est très non-linéaire — taux de perte plus élevé au début et moins de perte plus tard.

Le placage de lithium peut se produire sous différentes conditions. En plus de la charge rapide, il peut se produire si vous chargez une batterie à une température sous-zéro, ou s'il y a des problèmes de déséquilibre liés au vieillissement dans la batterie. Les signatures pourraient ne pas être également sensibles pour toutes ces conditions de placage. Donc, nous avons identifié les signatures les plus sensibles pour la charge rapide et les avons utilisées pour développer notre algorithme d'apprentissage automatique.

Tech Briefs : Quelles sont les signatures que vous avez utilisées ?

Tanim : Nous avons trouvé que les signatures les plus sensibles pour la charge rapide étaient les tendances de la façon dont la capacité de la cellule diminuait, linéairement ou non-linéairement, la tension de repos en fin de charge, et l'efficacité coulombique.

Nous avons aussi trouvé que deux signatures importantes que d'autres ont rapportées, dQ/dV et dV/dt, n'étaient pas très sensibles sous des conditions de charge rapide, sauf s'il y avait des situations de placage très agressives.

Tech Briefs : Pouvez-vous expliquer l'efficacité coulombique ?

Tanim : L'efficacité coulombique est le ratio en pourcentage de la capacité de décharge divisée par la capacité de charge.

Tech Briefs : Comment mesurez-vous la perte de capacité ?

Tanim : Vous devez faire des tests. À l'échelle du laboratoire, quand nous cyclons la batterie, nous pouvons choisir un cycle particulier pour mesurer sa capacité de charge ou de décharge. Du courant et du temps, nous pouvons calculer la capacité en ampères-heures. Maintenant, si vous répétez le même processus alors que la batterie se dégrade, vous pouvez trouver la capacité à un état vieilli et à partir de là calculer le pourcentage de perte (la perte de capacité par rapport à l'état frais).

Tech Briefs : Avez-vous expérimenté avec différents protocoles de charge ?

Tanim : Pour éviter le placage de lithium, vous pouvez modifier le design de la batterie de différentes façons : vous pouvez changer les matériaux, vous pouvez changer le design des électrodes ou plusieurs autres aspects du design de la batterie, comme l'électrolyte.

Vous pouvez aussi changer les conditions d'opération ou les profils de charge. Par exemple, vous pouvez essayer différents protocoles de charge et les comparer à une ligne de base. Par exemple, au lieu de courant constant/tension constante, vous pouvez essayer des protocoles de charge multi-étapes ou autres. Et vous pouvez aussi changer la température.

Notre méthode pour détecter le placage de lithium sera applicable indépendamment de tout changement de design ou protocoles de charge.

Tech Briefs : Comment voyez-vous cela être mis en œuvre ?

Tanim : Il y a deux scénarios par lesquels cette méthode fera une contribution précieuse. Le premier est pour l'utilisation par des scientifiques de recherche en laboratoire. Cette méthode nous dira plus rapidement si, sous les conditions d'opération données, le placage de lithium se produit ou non — nous n'avons pas à ouvrir une cellule ou faire toute autre analyse post-test. Juste la signature électrochimique nous dira si le placage de lithium se produit pour ce design et condition d'opération particuliers. Cela peut être fait en 10 à 25 cycles. Cela nous laisse savoir si nous devons modifier le design des batteries — nous voulons l'identifier le plus tôt possible. Nous pouvons alors revenir, réitérer le design, et refaire le test pour voir si nous allons dans la bonne direction.

Les signatures électrochimiques, avec quelques modifications et vérifications supplémentaires, peuvent aussi être implémentées dans un système de gestion de batterie à bord d'un véhicule électrique ainsi que dans des applications stationnaires où des batteries lithium-ion sont utilisées. Les OEM ou fabricants de batteries collectent déjà la plupart de ces signatures. En les utilisant comme base, nous pouvons, peut-être pas au début du cycle de vie, peut-être quelques années plus tard, alerter l'utilisateur que bien que la batterie était bien au début de sa vie, quelque chose a changé, et le placage de lithium a commencé à se produire. « Puisqu'il y a maintenant du placage de lithium, c'est un avertissement précoce que vous devriez faire quelque chose au sujet de la batterie. »

Tech Briefs : Pourriez-vous hasarder une estimation de quand cela pourrait être commercialisé ?

Tanim : Nous avons un brevet provisoire sur ceci et nous travaillons à soumettre le brevet complet très bientôt. Nous cherchons aussi des opportunités de collaboration pour le développer davantage et nous voyons beaucoup d'intérêt de la part d'entreprises privées. Aussi, le DOE a un fonds de commercialisation technologique où nous pouvons collaborer avec d'autres industries privées et l'améliorer davantage et le démontrer pour des applications embarquées, mais je ne veux pas vous donner de estimation particulière.

Une version éditée de cette interview est parue dans le numéro de décembre 2021 de Tech Briefs.