Publié le 13 janvier 2023

Une méthode d’amélioration des réactions chimiques des batteries ! Tel est l’objet de recherche de Cédric Leau, doctorant en chimie au Collège de France.

Cédric Leau

Votre thèse porte sur la mise au point d’un système permettant d’observer les réactions chimiques à l’intérieur des batteries. Ignorait-on jusqu’ici ce qui s’y passe ?

On connaît le fonctionnement général des batteries. Une batterie est constituée de deux électrodes. Ce sont comme des éponges pour le lithium qui passent de l’une à l’autre sous l’effet d’un courant électrique lors de la charge et de la décharge. Si ce principe de base est bien connu, beaucoup d’autres phénomènes chimiques nous échappent encore. Nous avons une idée de ce qu’ils sont ; certaines mesures sont effectuées a posteriori, en ouvrant les batteries. La nouveauté de mon travail est de développer une procédure que nous appelons operando, en conditions opérationnelles. L’idée est de venir s’approcher le plus possible de la réalité avec un système peu invasif. Cela permettrait de connaître en temps réel ce qui se passe au sein des batteries. Nous espérons que cela améliorera leur durée de vie.

Votre méthode utilise une fibre optique. Comment cela fonctionne-t-il ?

Les fibres optiques sont présentes un peu partout dans la vie de tous les jours, principalement dans les télécommunications. Il s’agit de communiquer avec de la lumière. Une fibre optique est un long fil de verre conçu pour guider un faisceau lumineux. Dans le cadre de mon projet de thèse, nous essayons de travailler avec une fibre optique spéciale, elle n’est transparente que dans le milieu infrarouge, qui est une lumière invisible à l’œil nu. Cette lumière infrarouge a la particularité d’être facilement absorbée par les molécules organiques présentes dans les batteries. Son intérêt est de permettre de faire de la spectroscopie : on obtient un profil de la variation de l’intensité lumineuse en fonction de l’interaction de cette lumière avec son milieu environnant et la matière qu’elle traverse. Ce profil nous donne des indications sur les processus chimiques en cours. La difficulté tient à trouver la fibre optique adéquate qui n’absorbe pas ces infrarouges, d’où la particularité de celle que nous utilisons. Elle est développée par l’équipe Verres et céramiques de l’institut des sciences chimiques de Rennes avec laquelle nous travaillons.

Quelles mesures pouvez-vous effectuer ?

Une des premières mesures rendues possibles par cette technique concerne l’électrolyte, le liquide présent dans les batteries qui permet le transport du lithium d’une électrode à l’autre. Par exemple, nous pouvons voir l’évolution de la concentration de lithium dans cet électrolyte. S’il est relativement simple de mesurer un liquide qui viendrait entourer la fibre, cela devient plus compliqué pour des matériaux solides présents au sein de la batterie. C’est ce que je tends à réaliser dans mes recherches.

Comment cette méthode peut-elle aider à améliorer les batteries commerciales ?

L’objectif de la recherche est de mieux comprendre le monde, ce qui peut conduire ensuite à mieux faire les choses. Si à court terme, nous sommes loin de pouvoir déployer cette méthode dans les batteries accessibles au grand public, elle peut guider la conception des futures batteries commerciales. La publication que l’équipe a faite dans Nature Energy en fin d’année 2022 concernait l’électrolyte, ce que j’évoquais précédemment. Les travaux décrits dans ce papier ont montré la disparition d’une certaine espèce chimique, pourtant présente dans l’électrolyte à l’origine. On savait qu’elle était consommée au cours du temps, mais c’est la première fois que nous pouvons mesurer cette évolution en direct.

Une des clefs des performances des batteries tient dans ce que l’on appelle la « SEI », l’interface d’électrolyte solide. C’est une couche solide qui se forme à l’intérieur de la batterie au lithium lorsque nous commençons à l’utiliser. La bonne formation de cette couche solide agit comme une protection, séparant l’électrolyte et les électrodes. On évite ainsi de nombreuses réactions parasites lors des utilisations futures, garantissant de meilleures performances de la batterie. L’espèce chimique dont je parlais participe à la bonne qualité de cette couche. En comprendre précisément la consommation permet de mieux appréhender la formation de cette couche et de la constituer dans les meilleures conditions possibles, et ainsi d'améliorer la durée de vie des batteries.

Cédric Leau dans le laboratoire

Comment se déroule une journée classique pour vous ?

Comme beaucoup de chercheurs, il n’y a pas de journée classique, c’est ce qui fait l’intérêt de la recherche ! Cependant, on pourrait diviser mon travail en différentes étapes. Dans tous les cas, je procède à l’assemblage des batteries à partir de deux électrodes et de l’électrolyte. Tous les produits que nous utilisons sont, la plupart du temps, sensibles à l’eau et parfois à l’air. On travaille en boîte à gants, pour avoir un milieu contrôlé. Mon projet est de faire discuter le monde de la chimie et des matériaux avec celui de l’optique. Je dois donc implémenter une fibre optique dans cet assemblage de cellule de batterie. C’est là le cœur de mon travail : déterminer le meilleur moyen de monter une batterie autour d’une fibre optique dans un montage expérimental qui puisse ensuite s’appliquer à une batterie réelle. C’est un enjeu important de mon projet. Enfin, je fais « cycler » l’ensemble créé. Ce sont des murs avec de nombreux emplacements sur lesquels je viens connecter ces cellules sous diverses formes suivant ce que l’on travaille. Cela consiste à les charger et à les décharger selon des vitesses variables pour effectuer des mesures. Celles-ci nous fournissent des données électrochimiques de charge et de décharge dont nous pouvons tirer des informations. Pour ma part, je les fais « cycler », à côté de mon spectromètre, pour faire ces mesures de spectroscopie qui consistent à évaluer la variation du signal lumineux en entrée et en sortie de la fibre. Il faut ensuite faire dialoguer toutes ces mesures, qu’elles soient optiques ou électrochimiques.

Quelles études permettent de travailler dans un domaine qui agrège des disciplines aussi diverses que la chimie et l’optique ?

Je n’ai pas un cursus de pur chimiste. Je suis passé par l’École supérieure de physique et de chimie industrielles de la ville de Paris (ESPCI Paris — PSL), qui est une école d’ingénieurs de chimie et de physique industrielles qui comporte une forte composante expérimentale. Cela me permet de faire dialoguer ces deux domaines dans le cadre de ma thèse. Si au laboratoire nous utilisons principalement la chimie, il est nécessaire pour moi d’avoir des notions d’optique physique. De plus, même si au Collège de France nous faisons de la recherche fondamentale, mon domaine peut avoir des applications industrielles directes. Ce cursus d’ingénieur m’est donc très utile. La vocation de l’ESPCI est de former des ingénieurs pour la recherche et le développement industriel. Sa particularité est d’avoir une majorité d’étudiants partant en thèse. C’est une exception dans le paysage des écoles d’ingénieurs françaises. La formation scientifique est très solide et l’enseignement est proche des laboratoires avec lesquels nous avons des interactions.

Que comptez-vous faire après votre doctorat ?

Je travaille dans un domaine qui, s’il s’agit bien de recherche fondamentale, reste appliqué. Je ne suis pas encore sûr de celui qui m’intéresserait le plus. Il y a tant à faire dans ces deux univers que sont le monde académique et le monde industriel ! Avec un sujet comme le mien, j’ai un pied dans chaque univers. On sait que les besoins dans le domaine des batteries vont être importants dans les années à venir. La recherche fondamentale aussi bien que la recherche et le développement industriel joueront un rôle majeur dans cette transition énergétique.

Cédric Leau travaille au sein du Laboratoire de chimie du solide et énergie, sous la responsabilité du Pr Jean-Marie Tarascon. Sa thèse s’intitule « Détection infrarouge operando via fibre optique de l’évolution de la chimie de la batterie ».

Photos © Patrick Imbert
Propos recueillis par Aurèle Méthivier