Publié le 20 décembre 2025 18h29. Des chercheurs ont mis en évidence un mécanisme fondamental expliquant la dégradation des batteries, ouvrant la voie à des technologies plus performantes et durables pour les appareils allant des smartphones aux véhicules électriques.
- La dégradation des batteries est causée par une expansion et une contraction répétées des composants lors des cycles de charge et de décharge, un phénomène comparé à la respiration.
- L’identification de « cascades de contraintes » au sein des électrodes permet de mieux comprendre comment les tensions s’accumulent et se propagent, entraînant des dommages.
- Des techniques d’imagerie avancées ont permis d’observer en temps réel le comportement des particules à l’intérieur des batteries.
Une équipe de scientifiques issus de l’Université du Texas à Austin, de l’Université Northeastern, de l’Université Stanford et du Laboratoire national d’Argonne a découvert que chaque cycle de charge et de décharge induit une légère déformation des composants internes des batteries. Ce processus, analogue à la respiration humaine, génère des contraintes qui, accumulées au fil du temps, affaiblissent la batterie et réduisent ses performances. Ce phénomène, baptisé « dégradation chimio-mécanique », constitue un défi majeur pour l’industrie.
Les résultats de cette étude apportent un nouvel éclairage sur un problème qui préoccupe depuis longtemps les scientifiques et les ingénieurs. « À chaque « souffle » de la batterie, il existe un certain degré d’irréversibilité », explique Yijin Liu, professeur agrégé au département de génie mécanique de la Cockrell School of Engineering et au Texas Materials Institute, et responsable de cette recherche publiée dans Science. « Cet effet s’accumule avec le temps, provoquant finalement la défaillance de la cellule. »
L’une des découvertes clés réside dans l’identification des « cascades de contraintes ». Il s’agit d’une réaction en chaîne où la contrainte s’accumule initialement dans une partie de l’électrode avant de se propager aux zones avoisinantes. La complexité du comportement des centaines de milliers de particules composant les batteries contribue à cette tension. « Nous avons pu constater que chaque particule se comporte différemment sous un stress électrochimique », précise Juner Zhu, professeur adjoint de génie mécanique et industriel à Northeastern et co-auteur de l’étude. « Certaines particules se déplacent rapidement, comme des étoiles filantes, tandis que d’autres restent relativement stables. Ce comportement inégal crée des contraintes localisées qui peuvent entraîner des fissures et d’autres dommages. »
En comprenant comment ces contraintes se développent et se propagent, les ingénieurs pourront concevoir des électrodes plus résistantes à la dégradation. L’étude suggère notamment que l’application d’une pression contrôlée sur les cellules de la batterie pourrait contribuer à atténuer les contraintes et à améliorer les performances globales.
« Notre objectif ultime est de créer des technologies avancées capables d’augmenter considérablement l’utilité et la durabilité des batteries », déclare Jason Croy, co-auteur et chef du groupe de recherche sur les matériaux du Laboratoire national d’Argonne. « Comprendre comment la conception des électrodes influence leur réponse au stress est une étape cruciale pour repousser les limites de ce que les batteries peuvent faire. »
Pour parvenir à ces conclusions, l’équipe de recherche a utilisé des techniques d’imagerie de pointe pour observer les électrodes des batteries en temps réel pendant les cycles de charge et de décharge. Des outils tels que la microscopie à rayons X à transmission operando (TXM) et la laminographie à rayons X 3D ont permis de capturer des images détaillées des mouvements et des interactions des particules à l’intérieur des électrodes.
Les chercheurs ont initialement observé cette dynamique sur un appareil utilisé dans le cadre d’un autre projet de recherche : des écouteurs commerciaux. Ils prévoient de poursuivre leurs travaux en développant des modèles théoriques pour mieux appréhender les interactions complexes entre les processus chimiques et mécaniques au sein des électrodes des batteries.
Cette recherche a été financée par le Bureau des technologies des véhicules du Département américain de l’Énergie. D’autres chercheurs de l’UT, de la Northeastern University, de Sigray Inc., du Stanford and SLAC National Accelerator Laboratory et du Argonne National Laboratory ont également contribué à cette étude.
Source: UT Austin