Les nano-batteries

Les micro-batteries « tout solide » (1) sont appelées à envahir bientôt notre quotidien. Leur observation est donc essentielle pour mieux comprendre leur vieillissement et améliorer leurs performances. Des chercheurs du Laboratoire de réactivité et de chimie des solides (CNRS / Université de Picardie Jules Verne) et de l’université de Tohoku (Sendai, Japon) sont ainsi parvenus à observer, pour la première fois, des nano-batteries à ion lithium dans un microscope électronique en transmission. Leurs travaux sont publiés sur le site Internet de la revue Chemistry of Materials et sont cités dans la revue Chemical & Engineering News.

Observer des batteries à ion lithium à l’aide d’un microscope électronique en transmission (MET)(2) constitue une véritable prouesse technologique. En effet, les dimensions de ces batteries, beaucoup trop grandes, sont totalement incompatibles avec le mode de fonctionnement des MET. Ainsi, l’épaisseur des objets observables ne peut dépasser quelques dizaines de nanomètres sous peine d’une absorption totale du faisceau d’électron. Avec l’apparition des batteries « tout solide », ces dernières années, le développement de microbatteries est devenu possible sans risque de court-circuit. Mais ces batteries sont encore trop grandes pour être observées au MET.

Pour remédier à ce problème, une équipe du Laboratoire de réactivité et de chimie des solides (CNRS / Université de Picardie Jules Verne) a découpé des microbatteries, fabriquées par l’équipe japonaise, en utilisant la technique de découpe par faisceau d’ions focalisé (FIB). L’échantillon, ainsi obtenu, conserve l’ensemble des caractéristiques des batteries tout solide (anode / électrolyte / cathode) dont il est issu mais présente des dimensions beaucoup plus petites (10µm x 4µm x 100nm) justifiant l’appellation nano-batterie. Il est ainsi possible d’intégrer l’échantillon sur une grille de microscopie, en vue d’une observation en transmission haute résolution.

Les observations des chercheurs ont révélé des défauts structuraux se produisant à l’échelle nanométrique et ont permis de mettre en évidence une détérioration rapide des interfaces séparant les divers constituants de la batterie.

Toutes les informations recueillies vont permettre d’améliorer les performances électrochimiques et la longévité des batteries « tout solide ». Ces dernières sont appelées à envahir les nano-circuits intégrés des appareils numériques portables ou de puces utilisées pour le stockage et la récupération des données à distance, mais également à alimenter la nouvelle génération de dispositifs de taille micronique (appelés systèmes micro-électro-mécaniques-MEMS), en pleine émergence et voués à bouleverser nos vies. Ces dispositifs deviennent, en effet, monnaie courante dans le domaine prometteur qu’est le biomédical avec l’utilisation de micro-machines in vivo, telles que les stimulateurs cardiaques, les défibrillateurs, les neuro-stimulateurs, les systèmes de prise de médicaments autogérés…

Ces travaux posent les bases d’une collaboration franco-japonaise ambitieuse visant à observer, en direct, une batterie lithium-ion, lors de ses cycles de charge et de décharge, dans un microscope électronique en transmission.

(1) Les batteries « tout solide » sont des batteries où les électrodes et l’électrolyte sont solides ; l’électrolyte étant un composé isolant qui sépare électroniquement l’électrode positive de l’électrode négative tout en permettant le passage d’espèces ioniques (en l’occurrence les ions Li +) entre les deux.

(2) La microscopie électronique en transmission (MET ou TEM en anglais pour Transmission Electron Microscopy) est une technique de microscopie basée sur le principe de diffraction des électrons et pouvant atteindre un grossissement de x 5 000 000 avec une résolution à l’échelle atomique.

Source:CNRS