Accueil > Presse > Ce que la chaleur peut nous apprendre sur la chimie des batteries : utiliser l'effet Peltier pour étudier les cellules lithium-ion
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| Les chercheurs ont étudié comment le courant électrique créait des flux de chaleur dans une cellule de batterie lithium-ion. La chaleur circulait à l’opposé du courant électrique, ce qui entraînait une température plus élevée du côté où le courant entrait dans la cellule.
CRÉDIT |
Résumé:
Les batteries sont généralement étudiées via leurs propriétés électriques telles que la tension et le courant, mais de nouvelles recherches suggèrent que l'observation de la manière dont la chaleur circule en conjonction avec l'électricité peut fournir des informations importantes sur la chimie des batteries.
Ce que la chaleur peut nous apprendre sur la chimie des batteries : utiliser l'effet Peltier pour étudier les cellules lithium-ion
Urbana, Illinois | Publié le 8 mars 2024
Une équipe de chercheurs de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign a démontré comment étudier les propriétés chimiques des cellules de batterie lithium-ion en exploitant l'effet Peltier, dans lequel le courant électrique amène un système à puiser de la chaleur. Rapportée dans la revue Physical Chemistry Chemical Physics, cette technique leur a permis de mesurer expérimentalement l'entropie de l'électrolyte lithium-ion, une caractéristique thermodynamique qui pourrait directement éclairer la conception des batteries lithium-ion.
"Notre travail consiste à comprendre la thermodynamique fondamentale des ions lithium dissous, informations qui, nous l'espérons, guideront le développement de meilleurs électrolytes pour les batteries", a déclaré David Cahill, professeur de science et d'ingénierie des matériaux à l'Université d'I. et chef du projet. "La mesure du transport couplé de charge électrique et de chaleur dans l'effet Peltier nous permet de déduire l'entropie, une quantité étroitement liée à la structure chimique des ions dissous et à la façon dont ils interagissent avec d'autres parties de la batterie."
L'effet Peltier est bien étudié dans les systèmes à semi-conducteurs où il est utilisé dans le refroidissement et la réfrigération. Cependant, il reste largement inexploré dans les systèmes ioniques comme l’électrolyte au lithium. La raison en est que les différences de température créées par le chauffage et le refroidissement Peltier sont faibles par rapport à d’autres effets.
Pour surmonter cet obstacle, les chercheurs ont utilisé un système de mesure capable de résoudre le cent millième de degré Celsius. Cela a permis aux chercheurs de mesurer la chaleur entre les deux extrémités de la cellule et de l’utiliser pour calculer l’entropie de l’électrolyte lithium-ion dans la cellule.
"Nous mesurons une propriété macroscopique, mais cela révèle néanmoins des informations importantes sur le comportement microscopique des ions", a déclaré Rosy Huang, étudiante diplômée du groupe de recherche de Cahill et co-auteur principal de l'étude. « Les mesures de l'effet Peltier et de l'entropie de la solution sont étroitement liées à la structure de solvatation. Auparavant, les chercheurs sur les batteries s’appuyaient sur des mesures d’énergie, mais l’entropie fournirait un complément important à ces informations, donnant une image plus complète du système.
Les chercheurs ont étudié comment le flux de chaleur Peltier variait en fonction de la concentration en ions lithium, du type de solvant, du matériau de l'électrode et de la température. Dans tous les cas, ils ont observé que le flux de chaleur était opposé au courant ionique dans la solution, ce qui implique que l’entropie issue de la dissolution des ions lithium est inférieure à l’entropie du lithium solide.
La capacité de mesurer l'entropie des solutions d'électrolytes lithium-ion peut donner des informations importantes sur la mobilité des ions, qui régit le cycle de recharge de la batterie, et sur la manière dont la solution interagit avec les électrodes, un facteur important dans la durée de vie de la batterie.
"Un aspect sous-estimé de la conception des batteries est que l'électrolyte liquide n'est pas chimiquement stable lorsqu'il est en contact avec les électrodes", a déclaré Cahill. « Il se décompose toujours et forme ce qu’on appelle une interphase solide-électrolyte. Pour rendre une batterie stable sur de longs cycles, vous devez comprendre la thermodynamique de cette interphase, ce que notre méthode permet de faire.
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Zhe Cheng est le deuxième co-auteur principal de l'étude. Beniamin Zahiri, Patrick Kwon et Paul Braun, professeur de science et d'ingénierie des matériaux à l'Université d'I., ont également contribué à ce travail.
L'article des chercheurs, « Effet Peltier ionique dans les électrolytes Li-ion », est disponible en ligne. DOI : 10.1039/d3cp05998g
Le soutien a été fourni par le Laboratoire de recherche en ingénierie de construction de l'armée américaine et par le Département américain de l'énergie, Bureau des sciences fondamentales de l'énergie, Division des sciences et de l'ingénierie des matériaux.
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Contacts :
Cassandre Smith
Collège d'ingénierie Grainger de l'Université de l'Illinois
Copyright © Université de l'Illinois Grainger College of Engineering
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