De nombreuses recherches sont menées au sein de l'industrie des batteries afin de développer les futurs systèmes de stockage d'énergie. Cette tâche fait partie des défis technologiques modernes les plus importants. Commercialisée pour la première fois en 1991, la batterie lithium-ion permet une auto-décharge relativement faible par rapport à d'autres batteries. Le principe de cet accumulateur est le déplacement de l'ion lithium entre deux électrodes, une positive (dioxyde de cobalt ou de manganèse) et l'autre négative (graphite).

Il est essentiel de procéder à une série d'analyses et de caractériser l'effet de la réaction des différents éléments en présence sur les électrodes, en particulier à leur surface et dans les zones d'interface.

Différents types de batteries Li-ion existent, certains destinés aux produits de petite taille et d'autres sont des accumulateurs industriels de grande puissance pour les véhicules hybrides ou encore l'aéronautique. Cela nécessite des techniques analytiques capables de différencier les états chimiques avec une grande sensibilité et une haute résolution spatiale. 

Cela a conduit à des recherches approfondies sur les batteries Li-ion, car elles sont envisagées comme la base des sources secondaires à haute densité de puissance pour les véhicules électriques et les dispositifs de stockage pour le réseau électrique intelligent.

Les performances vitales des batteries Li-ion, telles que la durée de vie, la résistance interne et la capacité, sont étroitement liées à la microstructure des électrodes. L'interphase de l'électrolyte solide (SEI) s'est avérée cruciale pour augmenter les performances et la durée de vie des batteries lithium-ion. Il est donc nécessaire de bien comprendre les mécanismes et les réactions qui conduisent à la formation de couches SEI sur les électrodes des batteries Li-ion. 

L'imagerie à haute résolution révèle des informations microstructurelles au niveau de la structure composite constituée de

microparticules sphériques de la matière active maintenues ensemble par la matrice polymère. 

La microscopie électronique à balayage (Scanning Electron Microscopy " MEB " ou " SEM ") est une technique capable de produire des images en haute résolution de la surface d’un échantillon. Le MEB est utilisé dans de nombreux domaines ; de la biologie aux sciences des matériaux en passant par la microélectronique... et sur tous types d'échantillon, même les isolants peuvent être observés après métallisation. L'analyse se déroule sous atmosphère inerte contrôlée ou encore sous basse tension (proche du kV).

Le MEB est généralement utilisé pour étudier la morphologie en 3D avec une résolution nanométrique d’une surface ou d’un objet.
La composition chimique et élémentaire peut également être obtenue par microanalyse X.

 

Le principe de cette technique repose donc sur l'utilisation d'un faisceau d’électrons incidents de quelques dizaines de kilovolts balayant la surface de l’échantillon qui réémet alors tout un spectre de particules et de rayonnements : électrons secondaires, électrons rétrodiffusés, électrons Auger et rayons X..

La détection des différentes particules ou rayonnement émis fournit des informations sur l’échantillon : sa morphologie, sa topographie, sa structure cristalline, sa composition chimique élémentaire (analyse qualitative et semi quantitative)…

Identification de contaminant chimique

La présence de contaminant peut affecter partiellement la durée de vie et les performances des batteries. Ces pollutions peuvent provoquer des réactions chimiques parasites, la corrosion, la dégradation des matériaux de la batterie et la perte des stocks de lithium.

L'observation MEB et la cartographie chimique élémentaire EDX et/ou ToF-SIMS sont utilisées pour identifier et analyser ces contaminants et leur effet sur la dégradation des matériaux des batteries.

Dans ces exemples non exhaustifs, il a été démontré que la microscopie électronique à balayage (MEB) associée ou non à la FIB et à l'EDX est un outil de microscopie ultra puissant pour l'étude structurale et chimique des batteries Li-ion.

Avec une excellente profondeur de champ (~ 100 x celle de la microscopie optique), le MEB fournit des images haute résolution de tous les matériaux.

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La combinaison des techniques MEB/EDX et ToF-SIMS facilite l'analyse complète de la composition des matériaux. La tomographie RX permet de visualiser de manière non destructive les caractéristiques internes telles que la porosité, les fissures et la répartition des phases. En mode dynamique, il est possible de visualiser les changements en 3D des structures internes lorsqu'elles subissent des modifications telles que le chargement ou l'absorption de liquides.