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Caractérisation de batteries

Sommaire hiérarchisé des principales méthodes de caractérisation des batteries Li-ion / Li métal / Na-ion utilisées en recherche (voir Comment comparer differentes batteries pour les grandeurs fréquemment utilisés) :

1. Méthodes électrochimiques fondamentales pour la batterie

1.1. Cyclage galvanostatique (charge-décharge)

• Permet d’évaluer la capacité spécifique, la rétention de la capacité (effet de vieillissement), à l'efficacité coulombienne, et à la stabilité cyclique
• Mesure directe des performances de la cellule en conditions d'utilisation

1.2. Voltamétrie cyclique

• Analyse des processus redox
• Permet de déterminer le coefficient de diffusion ionique et de caractériser les mécanismes de réaction (intercalation, conversion, etc.)

1.3. Spectroscopie d'impedance electrochimique (SIE)

• Méthode clef pour étudier la résistance interne souvent selon un modèle de circuit électrique, la cinétique de transfert de charge, la diffusion ionique (Warburg) et l’évolution de la SEI (Solid Electrolyte Interphase)
• L'étude utilise souvent un modèle de circuit électrique équivalent, comme en thermodynamique (diffusion de chaleur)
• Méthode classique pour corréler performance et vieillissement.

1.4. Potentiostatic Intermittent Titration Technique (PITT)

• Application de petites marches de potentiel, puis évaluation de la réponse du système
• Donne le coefficient de diffusion ionique et les cinétiques d’insertion/extraction
• Il existe également la version galvanostatique

1.5. Chronoampérométrie / Chronopotentiométrie

• Étude de la réponse temporelle à un potentiel ou courant fixe.
• Utile pour caractériser la nucléation du lithium et la formation de la SEI en milieux organique

2. Méthodes de caractérisation physico-chimique

2.1. Diffraction des rayons X (DRX)

• Peut permettre la détermination des phases cristallines et de leurs transformations lors du cyclage
• Permet également d'étudier les mécanismes d’intercalation ou de conversion

2.2. Microscopies électroniques (MEB/Transmission Electron Microscopy)

• Observation des morphologies à la surface de l'électrode, et des dégradations
• Transmission Electron Microscopy operando (durant la réaction) permet de visualiser la migration d’ions en temps réel en utilisant une micro-chambre de réaction
• La diffraction électronique avec le MET permet d'identifier des réseaux cristallins à partir de fines couches du composé d’intérêt

2.3. Calcul des ZIBs - Isothermes d'adsorption

• Permet de décrire la formation d'une couche d'adsorbat sur l'électrode (SEI/aSEI)
• Il y a une quantité de poudre minimum : 10 m² de surface (on calcule la masse nécessaire avec la surface spécifique)