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Une tranche de nanobatterie revèle ses défauts cachés

ActualitéClassé sous :technologie , batterie , électrolyte solide

Pour mieux étudier les propriétés des minuscules batteries à électrolyte solide, encore expérimentales et dont on espère beaucoup, une équipe franco-japonaise a utilisé un microscope électronique pour en découper une tranche, observée dans un autre microscope. Cette première mondiale a immédiatement fourni ses résultats : les réalisations actuelles sont moins bonnes que ce que l'on imaginait.

Un détail de la batterie réalisée par l'équipe japonaise. (Photo extraite de la publication dans Science.)

Pour miniaturiser les batteries, l'électrolyte liquide devient un handicap et on cherche depuis longtemps à le remplacer par un milieu solide. A terme, on espère descendre ainsi à l'échelle du millimètre, voire moins, jusqu'aux « nanobatteries », du diamètre d'un cheveu. Les petits appareils électroniques mais aussi les prothèses ou des capteurs injectés dans le corps pourraient alors en bénéficier.

Les premières réalisations existent déjà, ce sont les batteries à film mince, utilisant le lithium, mais cette technique reste encore largement du domaine de la recherche. Car si on commence à savoir les fabriquer, on en connaît encore mal les caractéristiques et les moyens d'améliorer les performances ou d'en réduire la taille.

Paradoxalement, les chercheurs doivent étudier leurs propres créations, et ce pratiquement au niveau atomique. Les propriétés qu'il convient de préciser se trouvent au niveau des interfaces entre électrodes et électrolyte. Ce que les chercheurs souhaitent, c'est relier les caractéristiques de ces interfaces aux performances de la batterie afin de comprendre comment les optimiser.

Le meilleur instrument pour étudier visuellement ces zones d'échanges est le microscope électronique à transmission (MET), qui fait traverser l'échantillon par un faisceau d'électrons (comme une coupe mince se laisse traverser par la lumière dans un microscope optique). Mais il manquait jusque-là un moyen de couper finement une batterie.

En haut à droite, la grille de cuivre (classiquement utilisée en microscopie électronique à transmission), coupée en deux. La zone entourée de bleu, où a été déposée la coupe, est agrandie (au microscope optique) sur l'image principale. En bas à gauche, une vue au microscope électronique à balayage de la tranche de nanobatterie maintenue sur la grille. © L. Dupont/UPJV et UMR CNRS 6007

Bientôt une batterie observée en fonctionnement

Des chercheurs français et japonais viennent de d'effacer cet obstacle. L'équipe de l'université de Tohoku a réalisé une batterie lithium-ion miniature à électrolyte solide, dont les électrodes sont constituées d'oxyde d'étain pour l'une et d'oxyde de lithium et de cobalt pour l'autre (SnO et LiCoO2). Au Laboratoire de réactivité et de chimie des solides (LRCS) d'Amiens, ce petit élément a été soumis à un faisceau d'ions d'un microscope électronique à balayage (SEM, Scanning Electron Microscope) à double faisceau. Cet instrument émet un flux d'électrons vers l'objet à étudier et capte le signal réémis (électrons dits secondaires, rayons X...). Dans le SEM utilisé à Amiens, un second faisceau, formé d'ion de gallium, était dirigé vers l'échantillon. Les électrons permettent de créer une image et les ions découpent la matière.

A l'aide de ce scalpel microscopique, l'équipe du LRCS a pu découper un minuscule fragment de la batterie d'environ 100 nanomètres d'épaisseur. Si on compare une batterie à un sandwich, avec ses deux électrodes (les tranches de pain) et l'électrolyte (le jambon), le résultat est une coupe perpendiculaire laissant apparaître la structure du sandwich. Un micromanipulateur a ensuite permis de déplacer cet échantillon sur une grille en cuivre, préalablement sectionnée. Dans un microscope à transmission, ce genre de grille sert de support aux coupes à observer.

Les premières observations sont concluantes et ont clairement démontré l'intérêt de ce genre d'étude. Les chercheurs ont en effet repéré une migration de matière entre l'électrolyte et les électrodes. Non détecté jusqu'à présent, ce défaut est rédhibitoire pour une batterie où l'électrolyte, justement, isole les deux électrodes l'une de l'autre.

Pour mieux comprendre ce phénomène, l'équipe veut maintenant franchir une étape de plus et observer la batterie en fonctionnement. La tranche réalisée dans l'expérience est en effet une batterie complète et il est possible de la charger. Les chercheurs disposeraient alors d'un moyen d'améliorer les performances en testant différents matériaux ou des méthodes de fabrication.

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