Effects of High-Temperature Preconditioning on Li Plating During Low-Temperature Cycling of the COTS LG Chem HG2 Cell

Les engins spatiaux voyagent à travers des environnements hostiles à presque tout ce que nous connaissons. Dans le silence profond de l'espace, les températures peuvent chuter bien en dessous du point de congélation de l'eau, et les batteries qui alimentent ces missions doivent survivre à ce froid sans défaillir. Pendant des décennies, les ingénieurs se sont appuyés sur des batteries conçues sur mesure, spécifiquement pour ces conditions extrêmes. Cependant, une solution plus pratique et plus rentable a émergé : l'utilisation des mêmes batteries lithium-ion de haute qualité que celles que l'on trouve dans l'électronique grand public, appelées cellules commerciales prêtes à l'emploi (COTS). Ces batteries sont produites en masse, hautement constantes et offrent une densité énergétique impressionnante. Pourtant, elles comportent un piège. Elles sont conçues pour être chargées à des températures modérées, et lorsqu'elles sont contraintes de fonctionner dans le froid profond de l'espace, un processus chimique dangereux peut se produire à l'intérieur d'elles. Lorsqu'une batterie lithium-ion est chargée dans le froid, les ions lithium peuvent rester bloqués à la surface de l'électrode négative au lieu de s'y enfoncer. Cela crée une couche de lithium métallique, un phénomène appelé placage de lithium. Cette accumulation n'est pas seulement un signe d'usure ; elle peut endommager de façon permanente la capacité de la batterie et, dans les cas graves, entraîner des risques de sécurité comme des courts-circuits ou des incendies.

Une équipe de chercheurs s'est donné pour mission de comprendre comment prévenir ce placage dangereux dans une batterie commerciale très utilisée, la LG Chem HG2, lorsqu'elle est soumise aux conditions de gel de l'espace. Ils se sont concentrés sur une question simple : la manière dont on traite une batterie avant qu'elle ne soit exposée au froid a-t-elle une importance ? Plus précisément, ils voulaient savoir si le fait de réchauffer la batterie et de la charger de manière répétée avant de l'envoyer dans le froid la rendrait plus résistante au placage qu'en la laissant simplement reposer au chaud ou en l'envoyant directement dans le froid. Pour trouver la réponse, ils ont combiné des expériences réelles avec de puissantes simulations informatiques capables de scruter la structure microscopique de la batterie. Les résultats ont révélé une vérité surprenante sur la façon dont l'état interne de la batterie, plutôt que sa simple condition de surface, dicte sa survie dans le froid.

Les chercheurs ont testé trois groupes différents de ces batteries commerciales pour voir comment ils se comporteraient à moins 20 degrés Celsius. Le premier groupe a subi une phase de « préconditionnement » consistant à charger et décharger la batterie de manière répétée pendant deux semaines à une température chaude de 30 degrés Celsius. Le deuxième groupe a été simplement stocké à cette même température chaude pendant la même période, sans être chargé ni déchargé. Le troisième groupe n'a reçu aucun traitement particulier ; ils ont été pris directement à température ambiante et placés dans le froid pour les tests. Après ces étapes initiales, toutes les batteries ont été soumises au même test de cyclage rigoureux à moins 20 degrés Celsius. L'objectif était de surveiller les signes de placage de lithium, qui se manifestent souvent par des changements spécifiques de la tension de la batterie lors de la décharge.

Les résultats étaient clairs et distincts. Les batteries qui avaient été stockées au chaud ou envoyées directement dans le froid présentaient de forts signes de placage de lithium. Lorsque ces batteries étaient déchargées, leurs courbes de tension affichaient des plateaux spécifiques, et l'analyse de leurs variations de tension indiquait que du lithium métallique s'était formé sur l'anode et était en train d'être extrait. C'est un signe de dégradation et de danger potentiel. En revanche, les batteries qui avaient été préconditionnées en les cyclant à la température chaude ne montraient aucun signe de ce type. Elles ont cyclé plus efficacement, ont mieux conservé leur capacité et ne présentaient aucun signe de l'accumulation dangereuse de lithium. Les données suggéraient que l'acte de charger et décharger la batterie lorsqu'elle était chaude modifiait fondamentalement son comportement, la rendant beaucoup plus résiliente lorsqu'elle faisait face au froid.

Pour comprendre pourquoi cela s'était produit, les chercheurs se sont tournés vers un modèle informatique sophistiqué. Ils ont construit un jumeau numérique de la batterie, en utilisant des images 3D détaillées de la structure microscopique de l'électrode obtenues grâce à un scanner à haute résolution. Cela leur a permis de simuler le mouvement des ions et des électrons à l'intérieur de la batterie avec une précision incroyable. La simulation a suivi un facteur clé appelé surtension, qui est essentiellement la pression électrique supplémentaire nécessaire pour pousser les réactions chimiques vers l'avant. Si cette pression chute trop bas, les ions lithium se déposent sur la surface sous forme de métal au lieu de pénétrer dans l'électrode. La simulation a confirmé que les batteries préconditionnées présentaient une plus grande résistance à cette condition de placage par rapport aux autres.

L'étude a ensuite approfondi la recherche pour trouver la cause profonde de cette différence. On pourrait supposer que le cyclage à chaud a modifié le revêtement physique sur l'électrode, connu sous le nom d'interphase solide-électrolyte, le rendant plus robuste. Cependant, la simulation a montré que l'épaisseur et la composition de ce revêtement n'étaient pas les principaux moteurs de la différence. Au lieu de cela, le facteur clé était l'état de charge de la batterie — la quantité d'énergie stockée à l'intérieur — au moment où elle entrait dans le froid. Les batteries qui avaient été préconditionnées par le cyclage se sont retrouvées dans un état de charge différent de celles qui avaient simplement été stockées ou laissées sans traitement. Lorsque les batteries préconditionnées ont été refroidies, elles ont commencé leur cycle à froid avec un niveau d'énergie stockée plus élevé. Ce point de départ plus élevé signifiait que, lors de la première charge dans le froid, les ions lithium pouvaient se déplacer plus librement et se déposer correctement à l'intérieur de l'électrode, plutôt que de rester coincés à la surface. Les batteries qui commençaient avec un état de charge plus faible éprouvaient davantage de difficultés, favorisant ainsi les conditions propices au placage.

Les chercheurs ont également noté que, bien que leurs modèles informatiques puissent expliquer pourquoi les batteries préconditionnées performaient mieux lors des premiers cycles, ils ne pouvaient pas expliquer pleinement pourquoi les autres batteries continuaient de se dégrader au fil du temps. Les modèles montraient que la tendance au placage devrait se stabiliser, mais les expériences ont montré que les dommages s'aggravaient avec davantage de cycles. Cela suggère qu'une fois le placage initial survenu, il déclenche une réaction en chaîne de changements physiques — peut-être des fissures dans le revêtement protecteur ou d'autres changements structurels — que les modèles actuels ne capturent pas encore. Cet écart entre la simulation et les données réelles souligne la complexité de la chimie des batteries et la nécessité de poursuivre les recherches.

En fin de compte, ce travail fournit une feuille de route pratique pour l'utilisation des batteries commerciales dans l'espace. Il démontre qu'une simple routine de préchauffage impliquant des charges et décharges répétées peut considérablement améliorer la capacité d'une batterie à survivre aux températures de gel. En s'assurant que la batterie commence son voyage dans le froid avec le bon état de charge, les ingénieurs peuvent éviter l'accumulation dangereuse de lithium métallique. Cette découverte est cruciale pour les futures missions spatiales, où la fiabilité des systèmes d'alimentation est une question de vie ou de mort. L'étude confirme que, bien que ces cellules commerciales n'aient pas été conçues à l'origine pour le froid profond, avec la bonne préparation, on peut les amener à fonctionner de manière sûre et efficace dans l'un des environnements les plus hostiles imaginables.