Actuellement, les protocoles prévoient une charge avec un flux de courant constant. Cependant, comme l’a montré l’étude menée par l’équipe dirigée par Philipp Adelhelm (Centre Helmholtz de Berlin et Université Humboldt) en collaboration avec la TU Berlin et l’Université d’Aalborg au Danemark, cette méthode n’est pas la meilleure. L’étude, publiée dans la revue Matériaux énergétiques avancésanalyse l’influence du protocole de charge sur la durée de vie de la batterie.

Dans le cadre du projet, les chercheurs ont analysé des cellules NMC532 disponibles dans le commerce avec une anode en graphite. Dans la cathode, les composés de nickel, de manganèse et de cobalt sont mélangés dans un rapport de 5 : 3 : 2 aux côtés du lithium. De nombreuses voitures électriques circulent actuellement sur les routes avec un tel mélange, même si la tendance des nouvelles voitures s’oriente désormais vers le NMC811.

Certains tests de batterie ont été effectués à l’Université d’Aalborg. Les batteries ont été chargées soit de manière conventionnelle avec un courant constant (CC), soit avec un nouveau protocole de charge à courant pulsé (PC). Les cellules ont ensuite été démontées et examinées lors d’analyses post-mortem, qui ont révélé des « différences claires » selon les chercheurs. Par exemple, l’interface électrolyte solide (SEI) au niveau de l’anode était nettement plus épaisse sur les échantillons chargés avec un courant constant, ce qui nuisait à la capacité. En outre, l’équipe a découvert davantage de fissures dans la structure du NMC532 et des électrodes en graphite, ce qui a également contribué à la perte de capacité. En revanche, le chargement du PC a entraîné une interface SEI plus fine et moins de changements structurels dans les matériaux des électrodes.

Ces premières observations ont été analysées plus en détail avec des investigations plus approfondies. Au « BESSY II », un accélérateur annulaire d’électrons de 240 mètres de long au Centre Helmholtz, le chercheur Yaolin Xu a examiné les cellules en utilisant en fonctionnement Spectroscopie Raman et dilatométrie ainsi que spectroscopie d’absorption des rayons X. Cela lui a permis d’analyser ce qui se passe lors du chargement avec différents protocoles. Des expériences supplémentaires ont été réalisées au synchrotron PETRA III. « La charge par courant pulsé favorise la répartition homogène des ions lithium dans le graphite et réduit ainsi les contraintes mécaniques et la fissuration des particules de graphite. Cela améliore la stabilité structurelle de l’anode en graphite », conclut-il. La charge pulsée supprime également les changements structurels dans les matériaux cathodiques du NMC532.

En d’autres termes, la charge avec un courant pulsé haute fréquence réduit les effets du vieillissement. Mais les équipes de recherche ont également découvert que cela dépend de la fréquence du courant pulsé. Ce sont les protocoles de charge avec courant pulsé haute fréquence qui prolongent le plus la durée de vie des batteries lithium-ion commerciales, jusqu’à doubler la durée de vie (avec une rétention de capacité de 80 %). La co-auteure Julia Kowal, experte en technologie de stockage d’énergie électrique à la TU Berlin, a souligné : « La charge pulsée pourrait apporter de nombreux avantages en termes de stabilité des matériaux des électrodes et des interfaces et prolonger considérablement la durée de vie des batteries. »

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