Les batteries perdent progressivement de leur capacité au fil de leur utilisation, mais les causes microscopiques de cette dégradation sont longtemps restées pratiquement « invisibles » pour les scientifiques.

Les outils d’imagerie traditionnels ne permettent généralement d’analyser les batteries qu’après leur cyclage et leur démontage. Observer directement le mouvement et les réactions des ions à l’intérieur de la batterie, dans des conditions de fonctionnement réelles en milieu liquide, avec une résolution spatiale et temporelle suffisamment élevée, a toujours constitué un défi extrêmement difficile.

Aujourd’hui, cette impasse a été surmontée. L’équipe de recherche dirigée par le professeur assistant Mao Xianwen du département de science et d’ingénierie des matériaux de l’Université nationale de Singapour a mis au point une nouvelle technique de microscopie appelée « ion-localization optical nanoscopy » (nanoscopie optique par localisation ionique, ci-après dénommée ION). Celle-ci a permis, pour la première fois, l’observation directe et la localisation précise d’événements réactionnels d’ions uniques au cours du fonctionnement d’une batterie en service. Ces résultats ont été publiés dans le numéro de mai 2026 de la revue scientifique internationale Nature Materials.

Cette technique permet de convertir l’activité ionique invisible en minuscules scintillements lumineux, avec une résolution spatiale d’environ 50 nanomètres et une résolution temporelle de 20 millisecondes, et de suivre en temps réel le comportement d’ions uniques à l’interface des matériaux de la batterie.

Grâce à cela, l’équipe de recherche a découvert qu’à l’intérieur de particules apparemment homogènes, les réactions sont en réalité très hétérogènes et qu’il existe des synergies dynamiques entre différentes régions — ces découvertes offrent une perspective entièrement nouvelle pour comprendre comment les batteries se dégradent lentement.

Sur la base de cette avancée majeure, un journaliste de China Energy Media s’est entretenu en exclusivité avec Mao Xianwen au sujet de cette percée technologique, de sa valeur pour l’industrialisation et de ses perspectives d’application plus larges.

China Energy Media : Les batteries métalliques sont considérées comme une direction importante pour les systèmes de stockage d’énergie de nouvelle génération, mais leur industrialisation est freinée par une « durée de vie courte et une défaillance rapide ». Comment votre technique d’imagerie résout-elle ce goulot d’étranglement ? Du point de vue de l’application industrielle, quels sont les scénarios respectifs pour les batteries zinc-métal et lithium-métal ?

Mao Xianwen : Le problème central des batteries métalliques n’est pas de savoir « si l’on peut les fabriquer », mais « si elles peuvent fonctionner de manière stable, durable et sûre ». Leur valeur réside dans une densité énergétique plus élevée et un potentiel d’électrode plus bas, mais différents systèmes métalliques correspondent à différentes orientations industrielles.

Les batteries zinc-métal se distinguent par leur faible coût, leur grande sécurité et l’abondance des ressources, ce qui les rend plus adaptées au stockage d’énergie à grande échelle, comme l’intégration des énergies renouvelables au réseau, le stockage côté réseau, le stockage pour les parcs industriels et les alimentations de secours pour les centres de données. Actuellement, des entreprises internationales comme Eos Energy, ZincFive et SoftBank ont déjà réalisé des progrès substantiels dans la commercialisation des batteries à base de zinc.

Les batteries lithium-métal, quant à elles, sont plus adaptées aux scénarios haut de gamme exigeant une énergie spécifique extrême, comme les drones à longue autonomie, l’électrification aéronautique, l’économie de basse altitude et les futurs véhicules électriques nécessitant une plus grande autonomie.

L’importance de nos travaux pour l’industrie réside précisément dans le fait qu’ils s’attaquent à ce goulot d’étranglement clé de la « durée de vie courte et de la défaillance rapide ».

Prenons l’exemple des batteries zinc-métal : le problème le plus saillant actuellement est le décapage inhomogène de l’électrode négative, conduisant à la formation de « zinc mort », à la désactivation de l’interface et finalement à une chute rapide de la capacité. La technologie ION permet d’observer en temps réel, à l’échelle de l’ion unique et sub-particulaire, la localisation de la réaction de décapage du zinc, son degré d’activité et les interactions entre les régions — auparavant, on ne pouvait constater que la baisse globale des performances ; désormais, ces informations microscopiques fournissent une base mécanistique directe pour concevoir des matériaux d’électrode négative plus stables et à plus longue durée de vie.

China Energy Media : Quelle est la percée fondamentale de la technologie ION ? Quels sont ses avantages uniques par rapport aux méthodes de caractérisation haut de gamme traditionnelles comme la microscopie électronique ou le rayonnement synchrotron ? Comment passer d’un outil académique à une plateforme de R&D industrielle ?

Mao Xianwen : La percée fondamentale peut se résumer en une phrase : pour la première fois, on transforme directement les « réactions ioniques invisibles » en signaux optiques observables et quantifiables.

Auparavant, on pouvait voir la morphologie et la structure des particules, mesurer les performances électrochimiques globales et observer les changements de concentration à l’échelle d’une particule unique, mais il était très difficile de voir directement, dans un environnement de travail liquide réel, où exactement les ions se forment, quelles positions d’interface sont les plus actives et comment les différentes régions interagissent entre elles.

La technologie ION s’inspire de l’idée de la microscopie de fluorescence par localisation de molécules uniques. Elle couple les ions produits pendant le processus de charge-décharge de la batterie avec un processus de réponse fluorescente spécifique, transformant les événements de génération d’ions, initialement invisibles, en signaux de scintillement fluorescent pouvant être localisés avec précision.

Ainsi, nous pouvons suivre en temps réel le comportement réactionnel d’ions uniques avec une résolution spatiale d’environ 50 nanomètres et une résolution temporelle de 20 millisecondes.

Comparé aux techniques haut de gamme comme la microscopie électronique ou le rayonnement synchrotron, le plus grand avantage de l’ION n’est pas une résolution plus élevée — en réalité, la résolution de la microscopie électronique peut être supérieure — mais plutôt qu’elle est plus proche des « conditions de fonctionnement réelles » et qu’elle est non destructive.

La microscopie électronique nécessite souvent un environnement sous vide poussé ou cryogénique, et le rayonnement synchrotron nécessite une irradiation par un faisceau à haute énergie. Ces conditions rendent difficile le maintien de l’état naturel de la réaction électrochimique en phase liquide et peuvent facilement causer des dommages par le faisceau.

La technologie ION, elle, est basée sur une plateforme optique. Elle permet l’imagerie en milieu liquide, sous tension et en fonctionnement prolongé, sans pratiquement aucun dommage pour l’échantillon. De plus, la plateforme optique elle-même présente un coût relativement plus bas, un débit plus élevé et une plus grande évolutivité.

Pour nous, sa valeur pour l’industrialisation réside précisément là : ce n’est pas seulement un outil scientifique pour « expliquer un mécanisme », mais elle a le potentiel de devenir une plateforme de R&D industrielle qui « améliore l’efficacité ».

Les entreprises peuvent l’utiliser pour comparer rapidement les différences de réaction locale induites par différents matériaux d’électrode négative, électrolytes, additifs ou schémas de modification de surface, afin de sélectionner en moins de temps des systèmes de matériaux plus homogènes, plus stables et à plus longue durée de vie.

Si nous poursuivons l’ingénierie, elle peut tout à fait évoluer vers une plateforme de criblage à haut débit destinée aux entreprises de batteries et de matériaux, raccourcissant le cycle de développement des matériaux et réduisant la dépendance aux essais-erreurs inefficaces des tests de cyclage de longue durée. C’est un atout réellement attractif pour les entreprises de stockage d’énergie, de matériaux pour batteries et même pour les fabricants d’équipements de caractérisation avancée.

China Energy Media : Au-delà de la recherche sur les batteries, quelles sont les perspectives d’application plus larges de cette technologie ? Quel rôle peut-elle jouer dans les domaines de l’énergie comme l’hydrogène vert ou le développement de catalyseurs ?

Mao Xianwen : La portée plus large de cette technologie réside dans le fait qu’elle ne se limite pas aux batteries. En théorie, elle peut s’appliquer à tout système où existent des « réactions interfaciales impliquant des ions ». Cela inclut, sans s’y limiter, les interfaces d’électrode négative et positive des batteries, la restructuration des électrocatalyseurs, les processus d’échange d’ions, la corrosion et la passivation.

Prenons l’exemple de l’hydrogène vert : l’un des éléments clés de l’électrolyse de l’eau est le catalyseur. Qu’il s’agisse d’entreprises ou d’institutions de recherche, tous souhaitent trouver des matériaux catalytiques moins chers, plus actifs, à plus longue durée de vie et basés sur des éléments abondants dans la croûte terrestre. Mais le criblage des catalyseurs implique souvent des cycles longs, de nombreux essais-erreurs et des coûts élevés. Une difficulté typique est la dissolution des métaux de transition — c’est l’un des problèmes clés affectant la stabilité et la durée de vie des catalyseurs.

Si nous étendons la technologie ION aux réactions catalytiques, en combinaison avec des sondes fluorescentes spécifiques pour certains ions comme le cuivre, nous pourrons observer directement, dans des conditions de travail réelles, le comportement de dissolution des atomes métalliques dans les catalyseurs à base de cuivre ou d’autres processus électrocatalytiques, révélant ainsi le mécanisme microscopique de la perte d’activité du catalyseur à l’échelle de l’ion unique. De cette manière, les chercheurs pourront déterminer plus rapidement quel catalyseur est le plus stable et quelle modification d’interface est la plus efficace.

D’un point de vue industriel plus large, qu’il s’agisse des batteries de stockage ou des catalyseurs pour l’hydrogène vert, la R&D actuelle est confrontée à un dilemme commun : les matériaux candidats sont nombreux, mais ceux qui sont réellement efficaces, stables et peu coûteux sont rares, et le coût du criblage est très élevé.

Si l’on peut, grâce à une plateforme d’imagerie interfaciale similaire à l’ION, identifier plus rapidement les mécanismes de défaillance locale et les sources d’activité, on pourra faire passer le développement des matériaux d’un processus traditionnel d’essais-erreurs à faible efficacité vers un flux de criblage plus efficace, quantifiable et prédictible.

Pour les grandes entreprises énergétiques, les entreprises de matériaux et les sociétés de technologie de l’hydrogène, la valeur de ce type d’outil réside dans le raccourcissement du cycle de découverte des matériaux, la réduction des coûts de R&D et l’accélération de la mise en œuvre industrielle. Nous sommes convaincus qu’avec les développements techniques et l’ingénierie futurs, l’ION a le potentiel de devenir une plateforme de caractérisation in situ universelle pour étudier les mécanismes de réaction interfaciale, et de jouer un rôle de plus en plus important dans la recherche sur le stockage d’énergie de nouvelle génération, la conversion catalytique, la séparation membranaire et la stabilité des matériaux.

D’un point de vue industriel plus large, qu’il s’agisse des batteries de stockage ou des catalyseurs pour l’hydrogène vert, la R&D actuelle est confrontée à un dilemme commun : les matériaux candidats sont nombreux, mais ceux qui sont réellement efficaces, stables et peu coûteux sont rares, et le coût du criblage est très élevé.

Si l’on peut, grâce à une plateforme d’imagerie interfaciale similaire à l’ION, identifier plus rapidement les mécanismes de défaillance locale et les sources d’activité, on pourra faire passer le développement des matériaux d’un processus traditionnel d’essais-erreurs à faible efficacité vers un flux de criblage plus efficace, quantifiable et prédictible.

Pour les grandes entreprises énergétiques, les entreprises de matériaux et les sociétés de technologie de l’hydrogène, la valeur de ce type d’outil réside dans le raccourcissement du cycle de découverte des matériaux, la réduction des coûts de R&D et l’accélération de la mise en œuvre industrielle. Nous sommes convaincus qu’avec les développements techniques et l’ingénierie futurs, l’ION a le potentiel de devenir une plateforme de caractérisation in situ universelle pour étudier les mécanismes de réaction interfaciale, et de jouer un rôle de plus en plus important dans la recherche sur le stockage d’énergie de nouvelle génération, la conversion catalytique, la séparation membranaire et la stabilité des matériaux.