Le principe de fonctionnement des batteries lithium-ion repose sur l'insertion et la désinsertion des ions lithium entre les matériaux des électrodes positive et négative. Lors de la charge, les ions lithium se désinsèrent de l'électrode positive et migrent vers l'électrode négative à travers l'électrolyte, où le matériau de l'électrode négative est riche en ions lithium. Inversement, lors de la décharge, les ions lithium se désinsèrent de l'électrode négative et retournent vers l'électrode positive. La capacité de la batterie est principalement déterminée par le nombre d'ions lithium insérés et désinsérés de manière réversible, et ses performances varient selon les conditions de charge et de décharge, ou au cours des cycles. Mais où va le lithium ?
Les ions lithium contenus dans la batterie sont principalement stockés aux endroits suivants :
(1) Lithium actif qui se déplace et se désintercale entre les électrodes positive et négative ;
(2) Lithium inutilisable qui est incorporé dans la couche d’électrode négative et ne peut pas être retiré ;
(3) Film SEI formé sur la surface des particules d'électrode négative ;
(4) Le lithium a précipité sur la surface du revêtement de l'électrode négative ;
(5) Lithium solvaté dans l'électrolyte ;
(6) Fluorure de lithium formé par décomposition de l'électrolyte ;
(7) Film CEI formé sur la surface des particules d'électrode positive ;
(8) Lithium inutilisable qui ne peut pas être retiré de l'intérieur des matériaux de l'électrode positive.
Au cours du cycle de charge/décharge des batteries lithium-ion, ou sous différentes conditions de vitesse de charge et de décharge et de température, la répartition du lithium à l'intérieur de la batterie se modifie. Des chercheurs de l'université de Münster, en Allemagne, ont étudié ce phénomène.
Au cours de cette étude, une structure de batterie en forme de T a d'abord été construite. Après plusieurs cycles de charge et de décharge, la batterie est démontée et les étapes suivantes sont effectuées :
.Les électrodes positive et négative sont d'abord nettoyées avec du DMC, puis dissoutes dans l'eau par réaction micro-ondes. Après dilution des solutions de nettoyage et de dissolution avec de l'eau distillée, la teneur en lithium est déterminée par ICP-AES.
.Le diaphragme est trempé dans de l'acide chlorhydrique, puis la solution de trempage est diluée et ensuite testée pour sa teneur en lithium par ICP.
.La membrane en nylon utilisée dans l'assemblage de la batterie est lavée et diluée avec de l'eau distillée, puis testée pour sa teneur en lithium par ICP.
.Les autres composants principaux de la batterie sont également testés pour leur teneur en lithium ICP après avoir été lavés à l'eau distillée.
De plus, à titre de contrôle, les chercheurs ont mesuré la teneur en lithium d'une batterie ayant subi un cycle de charge/décharge à un taux de 0,1 C, en supposant la formation d'une interface électrolyte solide (SEI) et d'un film d'interface électrolyte-électrode positive (CEI) à la surface de l'électrode. L'électrode négative initiale ne contenant pas de lithium, sa teneur dans la batterie témoin est considérée comme la teneur en lithium ayant contribué à la formation du film SEI. La différence entre la teneur en lithium de l'électrode positive initiale et celle de l'électrode positive de la batterie témoin est considérée comme la teneur en lithium supplémentaire ayant contribué à la formation du film CEI. La précision de tous les résultats est de ±71 µT.
