Les batteries sont des composants clés des systèmes modernes de stockage d'énergie, largement utilisés dans divers domaines tels que les véhicules électriques, les appareils électroniques portables et le stockage d'énergie à grande échelle. Les cellules électrolytiques, en tant que dispositifs convertissant l'énergie électrique en énergie chimique, ont un impact significatif sur la recherche sur les batteries. Elles permettent de simuler les processus électrochimiques internes des batteries, d'étudier les propriétés des matériaux des électrodes et d'explorer de nouveaux systèmes de batteries, essentiels au développement de la technologie des batteries.

1. Principe de fonctionnement de l'électrochimie Cellules électrolytiques

Une cellule électrolytique est composée de deux électrodes (anode et cathode) et d'une solution électrolytique. Lorsqu'une source d'alimentation externe est connectée, l'anode subit une réaction d'oxydation et la cathode une réaction de réduction. Les cations de l'électrolyte se déplacent vers la cathode et les anions vers l'anode, formant un chemin de conduction ionique interne, tandis que les électrons circulent dans le circuit externe, complétant ainsi le processus de réaction électrochimique. Par exemple, dans une cellule électrolytique à électrodes inertes électrolysant une solution de chlorure de cuivre, à l'anode, les ions chlorure sont oxydés en chlore gazeux, et à la cathode, les ions cuivre sont réduits en cuivre métallique.

2. Application à l'étude des réactions électrochimiques des batteries

2.1 Analyse par voltamétrie cyclique

La voltamétrie cyclique est une méthode courante utilisant des cellules électrolytiques pour étudier les réactions électrochimiques des batteries. En appliquant un potentiel cyclique variable entre l'électrode de travail et la contre-électrode de la cellule électrolytique, la réponse en courant est mesurée. Cette méthode permet de déterminer le potentiel redox des matériaux d'électrode, d'étudier le mécanisme réactionnel des processus d'électrode et d'évaluer la réversibilité des réactions électrochimiques. Par exemple, dans la recherche sur les batteries lithium-ion, la voltamétrie cyclique peut être utilisée pour analyser les processus d'insertion et d'extraction des ions lithium des matériaux d'électrodes positives et négatives, et pour déterminer la plage de potentiel optimale pour le fonctionnement de la batterie.

2.2 Spectroscopie d'impédance

La spectroscopie d'impédance électrochimique est une autre technique importante. Un signal de courant alternatif est appliqué à la cellule électrolytique et l'impédance du système électrochimique est mesurée à différentes fréquences. L'analyse d'impédance permet d'obtenir des informations sur la résistance de transfert de charge, la résistance de diffusion et la capacité de la double couche de l'interface électrode/électrolyte. Ceci est très utile pour comprendre la résistance interne de la batterie, le processus de diffusion ionique dans le matériau de l'électrode et la stabilité du film d'interphase électrolyte solide (SEI). Par exemple, dans l'étude des batteries sodium-ion, la spectroscopie d'impédance peut être utilisée pour analyser l'influence de différents électrolytes sur le processus de transfert de charge des électrodes en carbone dur.

3. Application à l'évaluation des matériaux d'électrodes

3.1 Criblage des matériaux d'électrodes positives

Les cellules électrolytiques sont largement utilisées pour le criblage de matériaux d'électrode positive pour batteries. Différents oxydes métalliques, phosphates, etc., peuvent être utilisés comme matériaux d'électrode positive pour les tests. En comparant leurs performances électrochimiques dans les cellules électrolytiques, telles que la capacité spécifique, la stabilité du cycle et les performances en régime, il est possible de sélectionner d'excellents matériaux d'électrode positive. Par exemple, dans la recherche sur les batteries lithium-ion, les cellules électrolytiques sont utilisées pour tester les performances du cobaltate de lithium et de l'oxyde de nickel-manganèse-cobalt de lithium. NMC ) et les matériaux au phosphate de fer et de lithium (LFP). Les résultats montrent que le LFP présente les avantages d'une sécurité élevée et d'une longue durée de vie, tandis que le NMC présente une densité énergétique plus élevée.

3.2 Recherche sur les matériaux d'électrodes négatives

Pour les matériaux d'électrode négative, les cellules électrolytiques jouent également un rôle crucial. Prenons l'exemple des matériaux d'électrode négative à base de silicium pour batteries lithium-ion. Leur capacité spécifique théorique élevée a suscité un vif intérêt, mais ils sont également confrontés au problème de l'expansion volumique importante. Les expériences en cellules électrolytiques permettent d'étudier les processus de lithiation et de délithiation des matériaux à base de silicium, et d'explorer des méthodes pour améliorer leur stabilité cyclique, telles que le revêtement et la nanostructuration. De plus, dans la recherche sur les matériaux d'électrode négative en carbone dur pour batteries sodium-ion, les cellules électrolytiques peuvent être utilisées pour étudier l'influence de différents anions dans les électrolytes sur les performances électrochimiques du carbone dur, afin d'optimiser la formule de l'électrolyte.

3.3 Évaluation des nouveaux matériaux d'électrodes

Avec le développement continu de la technologie des batteries, de nouveaux types de matériaux d'électrodes apparaissent constamment, tels que les matériaux à base de soufre pour les batteries lithium-soufre et les matériaux d'électrodes organiques. Les cellules électrolytiques offrent une plateforme pour évaluer leurs performances. La mise en place de systèmes de cellules électrolytiques adaptés permet d'évaluer avec précision les propriétés électrochimiques de ces nouveaux matériaux, notamment leur capacité spécifique, leur rendement coulombien et leurs performances nominales, favorisant ainsi leur application pratique.

4. Application à la préparation et à l'optimisation des batteries

4.1 Procédé de pré-lithiation/pré-sodiumation

Dans les batteries lithium-ion et sodium-ion, les procédés de pré-lithiation et de pré-sodiumation sont des étapes importantes pour améliorer les performances de la batterie. Des cellules électrolytiques peuvent être utilisées pour réaliser ces procédés. Par exemple, lors de la pré-lithiation d'électrodes négatives à base de silicium, une cellule électrolytique peut être utilisée pour déposer au préalable une certaine quantité de lithium sur la surface de l'électrode en silicium, ce qui peut améliorer le rendement premier coulombien de la batterie et augmenter le taux de rétention de capacité. Dans une étude, grâce à la pré-lithiation électrolytique, le taux de rétention de capacité des cellules complètes NMC111||Si au 100e cycle a été significativement augmenté, passant de 54 % à 78 %.

4.2 Optimisation des électrolytes

Les cellules électrolytiques électrochimiques peuvent également être utilisées pour optimiser les électrolytes. En modifiant la composition, la concentration et les additifs de l'électrolyte, puis en testant les performances électrochimiques de la batterie dans la cellule électrolytique, on obtient la formule électrolytique optimale. Par exemple, l'ajout de certains additifs à l'électrolyte permet d'améliorer la stabilité du film SEI, de réduire la résistance au transfert de charge et d'améliorer les performances de la batterie en cycle.

5. Application au recyclage des piles usagées

5.1 Extraction sélective de substances actives

Avec l'utilisation à grande échelle des batteries, le problème du traitement des batteries usagées est devenu de plus en plus crucial. Les cellules électrolytiques électrochimiques peuvent être utilisées pour l'extraction sélective des substances actives des batteries usagées. Par exemple, inspirées du processus de charge des matériaux d'électrode positive en phosphate de fer et de lithium, les méthodes électrochimiques permettent théoriquement d'extraire sélectivement le lithium des déchets de phosphate de fer et de lithium. Grâce à la conception d'un système de cellule électrolytique adapté, les ions lithium contenus dans les déchets de phosphate de fer et de lithium peuvent être extraits de l'électrolyte sous l'action d'un champ électrique, puis récupérés par précipitation ou échange d'ions, permettant ainsi le recyclage des ressources en lithium.

5.2 Couplage avec la production d'hydrogène

Outre l'extraction des substances actives, le recyclage des batteries usagées peut également être couplé à la production d'hydrogène. Par exemple, dans un système utilisant l'acide phosphomolybdique comme milieu redox, lors de l'extraction sélective du lithium à partir du phosphate de fer et de lithium usagé, l'eau de la chambre cathodique est décomposée pour produire de l'hydrogène. Cela permet non seulement de recycler les batteries usagées, mais aussi de produire de l'hydrogène propre, ce qui présente d'importants avantages économiques et environnementaux.

6. Méthodes expérimentales et technologies clés des cellules électrolytiques électrochimiques dans la recherche sur les batteries

6.1 Conception et assemblage des cellules

Selon les objectifs de recherche, des conceptions de cellules électrolytiques adaptées sont nécessaires. Les plus courantes sont les cellules à deux et trois électrodes. Ces dernières permettent de mesurer plus précisément le potentiel et le courant de l'électrode de travail grâce à l'introduction d'une électrode de référence, ce qui est idéal pour des recherches approfondies sur les réactions d'électrodes. Lors de l'assemblage des cellules, il convient de prêter attention au choix des électrodes, des électrolytes et des séparateurs, ainsi qu'au contrôle des conditions d'assemblage afin de garantir la stabilité et la répétabilité des résultats expérimentaux.

6.2 Sélection des électrolytes et des électrodes

Le choix des électrolytes est crucial pour la performance des cellules électrolytiques. Il est nécessaire de prendre en compte des facteurs tels que la conductivité ionique, la stabilité chimique et la compatibilité avec les matériaux d'électrode. Par exemple, les électrolytes organiques sont couramment utilisés dans les batteries lithium-ion, tandis que les électrolytes aqueux peuvent être utilisés dans certaines batteries sodium-ion ou systèmes de batteries aqueuses. Le matériau d'électrode doit être choisi en fonction de l'objet de recherche ; sa granulométrie, sa morphologie et sa porosité influenceront les résultats expérimentaux.

6.3 Acquisition et analyse des données

Lors du fonctionnement de la cellule électrolytique, une grande quantité de données, telles que le potentiel, le courant et l'impédance, est générée. L'acquisition de ces données est généralement effectuée à l'aide de stations de travail électrochimiques professionnelles. Après l'acquisition, des méthodes d'analyse appropriées sont nécessaires, telles que l'ajustement des données d'impédance à un modèle de circuit équivalent pour obtenir les paramètres électrochimiques pertinents, et l'analyse des courbes de voltamétrie cyclique pour étudier les mécanismes réactionnels.

Les cellules électrolytiques offrent un large éventail d'applications dans la recherche sur les batteries, couvrant de nombreux aspects tels que l'étude des réactions électrochimiques, l'évaluation des matériaux d'électrodes, la préparation et l'optimisation des batteries, et le recyclage des batteries usagées. Grâce à elles, les chercheurs peuvent comprendre en profondeur les mécanismes internes des batteries, sélectionner d'excellents matériaux d'électrodes et électrolytes, optimiser les processus de préparation des batteries et assurer le recyclage des batteries usagées. Avec les progrès constants de la technologie des batteries, le rôle des cellules électrolytiques gagnera en importance et contribuera fortement au développement de systèmes de batteries performants, économiques et respectueux de l'environnement. À l'avenir, grâce à l'amélioration continue des méthodes expérimentales et au développement de nouvelles technologies, les cellules électrolytiques devraient jouer un rôle croissant dans de nouveaux systèmes de batteries et domaines de recherche.