On dit que si un enfant casse un objet, soit pour en comprendre le fonctionnement et non pour le contrarier ; de même, aussi les adultes conservent le désir de comprendre le fonctionnement d’un mécanisme particuliersurtout s’ils ne peuvent pas le voir.
Puisque casser les choses n’est pas toujours – en fait, ce n’est jamais – une voie viable, la science a développé diverses technologies qui permettent de satisfaire la curiosité humaine. Des caméras infrarouges à la « L’archéologie invisible ». mis en place par le musée égyptien de Turin en 2020, il existe aujourd’hui de nombreux outils qui permettent de faire de l’archéologie invisible. peek par-dessus les murs, les boîtes, les emballages, ou plus généralement les contenants de toutes sortes, sans les casser et/ou les endommager.
Dans la lignée de cette réflexion et des derniers dispositifs technologiques innovants, des chercheurs du Université de Stanford ont pu voir ce qui se passe à l’intérieur d’une batterie lithium-ion grâce aux rayons Xqui montre comment les particules absorbent et libèrent les ions lithium au cours des processus de charge/décharge.
Faisant un pas de plus (et un énorme pas en avant), des universitaires ont utilisé un type d’apprentissage automatique appelé « vision par ordinateur ».« pour creuser encore plus profond, en analysant chaque pixel de ces images et en découvrant des détails physiques et chimiques du cycle de la batterie qui n’avaient jamais été observés auparavant.
Selon des chercheurs du SLAC National Accelerator Laboratory du ministère de l’énergie, de l’université de Stanford et du Massachusetts Institute of Technology (MIT), la quantité d’informations acquises par l’analyse de ces images est très importante. a déjà suggéré une nouvelle stratégie pour que les milliards de nanoparticules contenues dans un type d’électrode de batterie lithium-ion stockent et libèrent la charge plus efficacement.
L’étude « Apprendre la cinétique des réactions hétérogènes à partir de vidéos aux rayons X, pixel par pixel ». a été publié dans Nature.
« Jusqu’à présent, nous pouvions réaliser de magnifiques films aux rayons X montrant les nanoparticules des piles en action, mais ces films étaient si riches en informations que la compréhension des détails subtils du fonctionnement des particules constituait un véritable défi. »William Chueh, professeur associé à Stanford, chercheur au SLAC et directeur du SLAC-Stanford Battery Centre, qui a codirigé l’étude avec Martin Bazant, professeur au MIT, a déclaré : « Nous avons pu réaliser de magnifiques films aux rayons X des nanoparticules contenues dans les piles en action.
« Nous pouvons maintenant extraire des informations qui n’étaient pas disponibles auparavant., ajoute Chueh en poursuivant. « Il s’agit du type de connaissances scientifiques fondamentales dont nos partenaires industriels (Toyota, entre autres) ont besoin pour développer plus rapidement de meilleures batteries..
Plus généralement, les chercheurs ont déclaré, cette approche de la découverte de la physique derrière les motifs complexes dans les images pourrait même fournir des informations transversales sur d’autres types de systèmes chimiques et biologiques.tels que les cellules en division dans un embryon en développement.
Les particules de batterie étudiées sont constituées de phosphate de fer lithié (c.-à-d. le LFP), entassés par milliards dans les électrodes positives de nombreuses batteries lithium-ion, chacun étant recouvert d’une fine couche de carbone pour améliorer la conductivité électrique.
Observer ce qui se passe à l’intérieur de la batterie lorsqu’elle est en fonctionnement, Chueh a conçu et construit de minuscules piles transparentes.dans lesquelles les deux électrodes sont entourées d’une solution électrolytique remplie d’ions lithium en mouvement libre.
Lorsque la batterie est déchargée, les ions lithium affluent dans l’électrode positive de la LFP et s’installent à l’intérieur de ses nanoparticules, comme des spectateurs prenant place dans une salle de cinéma avant le début de la projection, dans une réaction appelée intercalation. Lorsque la batterie est chargée, ils reviennent et se déplacent vers l’électrode négative opposée.
Le phosphate de fer lithié est un matériau important pour les batteries en raison de son faible coût, de sa bonne sécurité et de l’utilisation d’éléments abondants, a déclaré Brian Storey, directeur principal de l’énergie et des matériaux au Toyota Research Institute, qui a financé les travaux au SLAC et au MIT. « Nous constatons une augmentation de l’utilisation des LFP sur le marché des véhicules électriques ; notre étude arrive au meilleur moment pour la recherche et l’industrie..
Chueh et Bazant ont commencé à collaborer il y a huit ans ; Bazant avait déjà élaboré de nombreux modèles mathématiques des ions lithium qui entrent et sortent des particules de LFP, tandis que Chueh avait utilisé un microscope à rayons X de pointe à l’Advanced Light Source du Lawrence Berkeley National Laboratory pour réaliser des films à l’échelle nanométrique, avec des détails aussi petits que des milliardièmes de mètre, des particules de la batterie au travail.
En 2016, leurs groupes de recherche ont publié des films inédits à l’échelle nanométrique montrant comment les ions lithium entrent et sortent des nanoparticules LFP individuelles.
Source Université de Stanford
Des universitaires de trois universités américaines ont fait équipe avec l’Institut de recherche Toyota en utilisant l’apprentissage automatique pour réanalyser des images radiographiques, pixel par pixel, et découvrir de nouveaux détails physiques et chimiques du cycle de la batterie. L’animation créée par ordinateur, basée sur des images prises en 2016, montre quelques-unes des milliards de nanoparticules présentes dans les électrodes d’une batterie lithium-ion qui se chargent (du rouge au vert) et se déchargent (du vert au rouge) lorsque les ions lithium entrent et sortent d’elles, et révèle à quel point le processus à l’intérieur d’une seule particule peut être inhomogène.
Grâce à un financement de l’Institut de recherche Toyota, l’équipe multiacadémique a commencé à utiliser des outils d’apprentissage automatique mis au point au MIT pour accélérer considérablement les tests de batterie et le processus consistant à passer au crible les nombreuses méthodes de chargement possibles pour trouver celles qui fonctionnent le mieux. Ils ont également combiné l’apprentissage automatique conventionnel, qui recherche des modèles dans les données, avec les connaissances acquises lors d’expériences et les équations basées sur la physique, afin de découvrir et d’expliquer un processus.
Dans leur dernière étude, Chueh et Bazant ont utilisé un sous-domaine de l’apprentissage automatique appelé vision par ordinateur pour extraire des informations plus détaillées de 62 films à rayons X à l’échelle nanométrique réalisés en 2016 et montrant des particules LFP en train de se charger ou de se décharger. Chaque image fixe de ces films contenait environ 490 pixels, la plus petite unité d’information pouvant être obtenue à partir d’une seule imagequ’il s’agisse de rayons X frappant un détecteur ou de lumière visible frappant l’appareil photo d’un smartphone. Cela leur a permis d’obtenir environ 180 000 pixels d’informations avec lesquelles ils ont pu travailler.
L’équipe a utilisé ces 180 000 pixels pour entraîner son modèle informatique à produire des équations décrivant avec précision le déroulement des réactions d’insertion du lithium. Ce processus a permis de découvrir que les mouvements des ions à l’intérieur des particules de LFP correspondaient étroitement aux prévisions des simulations informatiques de Bazant.
La nouvelle technique a également révélé plusieurs phénomènes qui n’avaient pas pu être observés auparavant, notamment les variations de la vitesse des réactions d’insertion du lithium dans différentes régions d’une seule nanoparticule LFP. « Il y a des régions qui semblent être rapides »explique Bazant, « et d’autres qui semblent lentes ».
La découverte pratique la plus importante de l’étude, à savoir que les variations de l’épaisseur de la couche de carbone d’une particule de LFP contrôlent directement la vitesse à laquelle les ions lithium entrent et sortent, pourrait conduire à une charge et à une décharge plus efficaces.
Ce que les scientifiques ont appris de cette étude, c’est que est l’interface entre l’électrolyte liquide et les matériaux solides de l’électrode – où la réaction d’intercalation et les variations de l’épaisseur de la couche de carbone des particules interagissent de manière complexe -. qui contrôle les processus de la batterie.
« Cela signifie que nous devrions vraiment nous concentrer sur sur la conception de cette interface« , a déclaré Bazant.
Storey ajouté : « Cette publication est l’aboutissement de six années de dévouement et de collaboration. Cette technique nous permet de découvrir le fonctionnement interne de la batterie d’une manière qui n’était pas possible auparavant. Notre prochain objectif est d’améliorer la conception des piles en appliquant ces nouvelles connaissances..
