Questions et réponses :Optimiser les batteries lithium-ion pour une charge extrêmement rapide

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

Fiches techniques : Comment le projet a-t-il démarré ?

Dr. Tanvir Tanim : Nous nous sommes impliqués dans le programme de charge extrêmement rapide, qui a été parrainé par le Department of Energy Vehicle Technology Office en 2017. L'objectif était de permettre une charge extrêmement rapide (XFC) dans les batteries lithium-ion - 10 à 15 minutes de charge environ - essentiellement pour rendre l'expérience de recharge des véhicules électriques comparable à l'expérience de ravitaillement des véhicules à essence. C'est l'une des principales considérations pour les consommateurs de véhicules électriques.

Pour ce programme, nous testions de nombreuses batteries lithium-ion à des taux de charge extrêmement rapides. Lorsque vous chargez ces batteries à des taux élevés, vous rencontrez de nombreux problèmes - le placage au lithium est l'un des principaux. Les batteries contiennent une quantité finie de lithium, vous ne voulez donc pas qu'il se perde pendant la charge et la décharge, vous voulez qu'il fasse des allers-retours 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, cela continuera à se produire et pourrait entraîner un événement catastrophique. Par exemple, le Li plaqué pourrait prendre une forme dendritique et se développer comme une aiguille à partir de l'anode et pourrait perforer le séparateur, créant un court-circuit interne.

Nous testions donc de nombreuses batteries lithium-ion, apportions des modifications de conception, puis retestions pour voir si le placage au lithium se produisait. À cette époque, cependant, nous n'avions pas de bon moyen de détecter le placage. Après les tests, nous déchirions la cellule pour voir s'il y avait un placage, ou nous faisions des post-tests supplémentaires. Nous n'avions pas vraiment de méthode de détection de placage au lithium basée sur une signature électrochimique solide, 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 tout en identifiant les causes profondes sous-jacentes de la dégradation. À ce moment-là, nous avions collecté de nombreuses données et généré une compréhension globale des différents modes et mécanismes de dégradation. Nous avons pensé, puisque nous avons toutes ces données et que nous connaissons les signatures électrochimiques liées au placage au lithium, pourquoi ne pas simplement formuler cela dans un problème d'apprentissage automatique. Nous pourrions utiliser les signatures électrochimiques, y intégrer l'apprentissage automatique et voir si cela pourrait nous aider à élaborer une stratégie pour détecter le placage au lithium.

Une chose en entraînant une autre, nous sommes arrivés à la conclusion que cela pourrait être une très bonne méthode pour détecter très tôt le placage de lithium, sans déchirer la cellule. Ouvrir la cellule et effectuer des post-tests prend du temps, coûte cher et retarde le développement du cycle de vie de la batterie.

Fiches techniques : Alors, votre méthode consistait à détecter certaines signatures électrochimiques ?

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

Fiches techniques : Pourriez-vous me dire quelque chose sur les types de données particuliers que vous avez utilisés ?

Tanim : Nous nous sommes principalement concentrés sur les données électrochimiques car vous pouvez les collecter facilement. En fait, lors des tests, nous recherchons toujours des signatures électrochimiques pour décrire les problèmes de durée de vie et de performances des batteries lithium-ion. Les signatures typiques sont la tension, le courant, la température, etc. Vous pouvez convertir ces signatures en différentes variables secondaires. Par exemple, nous avons examiné la capacité de décharge et les tendances d'évanouissement de la capacité, leur linéarité ou leur non-linéarité. En outre, la tension de repos de fin de charge, la tension de fin de décharge et leur évolution au cours du cycle, ainsi que l'efficacité coulombique.

Fiches techniques : Que signifie la capacité de décharge ?

Tanim : Si vous utilisez la batterie, vous en retirez de l'énergie, c'est ce que nous appelons la décharge. L'ampère-heure est l'une des mesures de capacité.

Fiches techniques : Que diriez-vous de la perte de capacité ?

Tanim : Une nouvelle batterie a une certaine capacité - disons un ampère-heure. Avec le cyclisme, cette capacité va diminuer. L'évanouissement de la capacité (ou de l'énergie) est le pourcentage de diminution. Dans des cas normaux, la tendance à la baisse sera assez linéaire, en particulier dans les cycles initiaux. Mais avec le placage au lithium, la tendance est très non linéaire :un taux de fondu plus élevé au début et moins de fondu plus tard.

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

Fiches techniques  : Quelles sont les signatures que vous avez utilisées ?

Tanim : Nous avons constaté que les signatures les plus sensibles pour la charge rapide étaient les tendances de la diminution de la capacité de la cellule, de manière linéaire ou non linéaire, la tension de repos en fin de charge et l'efficacité coulombique.

Nous avons également constaté que deux signatures importantes signalées par d'autres, dQ/dV et dV/dt, n'étaient pas très sensibles dans des conditions de charge rapide, à moins qu'il n'y ait des situations de placage très agressives.

Fiches techniques : Pouvez-vous expliquer l'efficacité coulombique ?

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

Fiches techniques : Comment mesurez-vous l'affaiblissement de la capacité ?

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

Fiches techniques : Avez-vous expérimenté différents protocoles de charge ?

Tanim : Pour éviter le placage au lithium, vous pouvez modifier la conception de la batterie de différentes manières :vous pouvez changer les matériaux, vous pouvez modifier la conception des électrodes ou plusieurs autres aspects de la conception de la batterie, tels que l'électrolyte.

Vous pouvez également modifier les conditions de fonctionnement ou les profils de charge. Par exemple, vous pouvez essayer différents protocoles de charge et les comparer à une référence. Par exemple, au lieu de courant constant/tension constante, vous pouvez essayer plusieurs protocoles de charge ou d'autres protocoles de charge. Et vous pouvez également modifier la température.

Notre méthode de détection du placage au lithium sera applicable indépendamment de toute modification de conception ou de tout protocole de charge.

Fiches techniques : Comment voyez-vous cela mis en œuvre ?

Tanim : Il existe deux scénarios dans lesquels cette méthode apportera une contribution précieuse. Le premier est destiné à être utilisé par des chercheurs scientifiques dans un laboratoire. Cette méthode nous dira plus rapidement si, dans les conditions de fonctionnement données, le placage au lithium se produit ou non - nous n'avons pas besoin de déchirer une cellule ou de faire toute autre analyse post-test. Seule la signature électrochimique nous dira si le placage au lithium se produit pour cette conception et cette condition de fonctionnement particulières. Cela peut être fait en 10 à 25 cycles. Cela nous permet de savoir si nous devons modifier la conception des batteries - nous voulons identifier cela dès que possible. Nous pouvons alors revenir en arrière, réitérer la conception et refaire le test pour voir si nous avançons dans la bonne direction.

Les signatures électrochimiques, avec quelques modifications et vérifications supplémentaires, peuvent également être mises en œuvre 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 équipementiers ou les fabricants de batteries collectent déjà la plupart de ces signatures. En les utilisant comme référence, nous pouvons, peut-être pas dans un cycle de vie précoce, peut-être quelques années plus tard, alerter l'utilisateur que même si la batterie fonctionnait bien au début de sa vie, quelque chose a changé et le placage au lithium a commencé à se produire. "Comme il y a maintenant le placage au lithium, c'est un avertissement précoce que vous devriez faire quelque chose au sujet de la batterie."

Fiches techniques : Pourriez-vous deviner combien de temps cela pourrait être commercialisé ?

Tanim : Nous avons un brevet provisoire à ce sujet et nous travaillons à déposer le brevet complet très prochainement. Nous recherchons également des opportunités de collaboration pour le développer davantage et nous constatons beaucoup d'intérêt de la part d'entreprises privées. En outre, le DOE dispose d'un fonds de commercialisation de la technologie dans lequel nous pouvons collaborer avec d'autres industries privées et l'améliorer davantage et le démontrer pour les applications embarquées, mais je ne veux pas vous donner de supposition particulière.

Une version modifiée de cette interview a été publiée dans le numéro de décembre 2021 de Tech Briefs.