Les chercheurs du LEEL travaillant sur les batteries étudient les processus physico-chimiques et mécanistiques qui se produisent aux interfaces et dans les matériaux de batteries post-Li-ion.
Notre recherche se concentre principalement sur le développement d’une compréhension fondamentale des différents processus se déroulant dans l’électrode et l’électrolyte en développant diverses techniques de caractérisation in situ/operando. L’objectif est de construire une base de connaissances sur les mécanismes de réaction, les processus de diffusion et les propriétés interfaciales dans les batteries post-Li-ion, en particulier les batteries aqueuses et les batteries à l’état solide.
Batteries magnésium et batteries aqueuses
Le développement des batteries lithium-ion a joué un rôle clé dans le développement des énergies renouvelables intermittentes et des technologies mobiles. Cependant, cette technologie semble atteindre ses limites et de nouvelles solutions émergent, comme les batteries au magnésium. Le magnésium métal est une électrode négative intéressante en raison de son abondance et de ses capacités volumétriques et gravimétriques élevées, combinées à un potentiel d’oxydoréduction assez faible. La nature divalente du Mg2+ offre deux électrons par métal, contre un seul dans le cas des métaux alcalins tels que Li et Na.
Le fonctionnement d’une batterie Mg-ion est similaire à celui d’une batterie Li-ion, impliquant l’échange d’ions Mg2+ entre une électrode positive et une électrode négative, idéalement du magnésium métal, via une solution électrolytique. Le principal obstacle à l’élaboration de batteries au magnésium est le manque d’électrolytes possédant une large fenêtre de potentiel pouvant être combinés avec du magnésium métal ou des électrodes négatives efficaces. Au LEEL, nous relevons ces défis en adoptant deux approches
différentes. L’une des solutions consiste à remplacer le métal Mg à l’électrode négative par des composés qui forment un alliage avec le Mg et qui sont stables dans les électrolytes conventionnels. Cette solution a été étudiée dans le cadre du projet ANR MAGICIEN (2017-2021). Notre deuxième approche se focalise sur le développement de nouveaux électrolytes, en particulier avec le concept d’électrolytes aqueux concentrés pour les batteries Mg-ion, dans le cadre du projet ANR MAGWAT.
Batteries à l’état solide
Les batteries tout-solide sont considérées comme la technologie de batterie de la prochaine génération, avec de nombreuses améliorations potentielles par rapport à l’état actuel de la technologie Li-ion en termes de sécurité, de puissance et de densité d’énergie. Le développement d’électrolytes solides efficaces et à haute conductivité ionique est crucial pour améliorer les batteries tout-solide. Leur synthèse à faible coût et leur optimisation avec différentes électrodes de batterie sont considérées comme des critères primordiaux. Dans cette optique, les chercheurs du LEEL travaillent sur deux catégories importantes d’électrolytes solides avancés : les électrolytes céramiques et les électrolytes composites polymère-céramique.
Électrolytes solides céramiques : Notre groupe est actif dans le développement de nouveaux électrolytes solides pour les batteries au lithium et au sodium à l’état solide. Nous nous concentrons sur la synthèse, la caractérisation structurelle et l’application des électrolytes solides à base de grenat, de NASICON et d’halogénures.
Les oxydes (Garnet/NASICON) possèdent de bonnes fenêtres de stabilité électrochimique/chimique (au-dessus de 5V) ce qui en fait des candidats intéressants pour être couplés à des matériaux cathodiques haute tension. De même, des conducteurs ioniques aux halogénures récemment revisités ont été utilisés dans des batteries tout solide haute tension avancées. La cinétique des électrodes des électrolytes solides joue un rôle crucial dans diverses applications électrochimiques du solide, notamment les batteries. Notre objectif est de comprendre l’effet des conditions de synthèse, du dopage et des concentrations de lithium sur le mouvement ionique (diffusion) au sein de la structure et la conductivité ionique de divers électrolytes solides. En combinant la spectroscopie d’impédance EIS, les mesures RMN, la diffraction des neutrons et les analyses par faisceau d’ions, nous pouvons identifier les liens entre la formulation, la structure et le transport ionique. En d’autres termes, nous essayons de comprendre le mouvement des ions dans l’électrolyte et l’électrode, et comment nous pouvons influencer leur barrière énergétique d’activation et leur stabilité en modifiant soigneusement la structure par dopage ou en changeant les conditions de synthèse. En outre, un objectif majeur de la recherche est d’utiliser cet électrolyte nouvellement développé dans divers composites d’électrodes (NMC, LFP, soufre et silicium) et d’étudier leurs performances électrochimiques.
Électrolytes composites polymère-céramique : Les électrolytes polymères permettent l’utilisation d’électrodes négatives de lithium métal dans les batteries tout-solide, en empêchant potentiellement la croissance des dendrites et les courts-circuits. Ils permettent également d’améliorer la sécurité, la facilité de traitement, l’adhérence aux électrodes et la flexibilité. Les électrolytes polymères à base de PEO actuellement utilisés nécessitent une température de travail élevée, de l’ordre de 60 à 80 °C, pour obtenir des performances en batterie nominales. Notre recherche se concentre sur l’inclusion d’électrolytes solides céramiques à base d’oxyde et de Nasicon dans la matrice polymère afin d’améliorer la conductivité ionique et de réduire la température de fonctionnement. Outre une meilleure compréhension du mécanisme de transport des charges dans ces systèmes électrolytiques et des processus se déroulant à l’interface avec l’électrode négative métallique à l’aide d’études EIS et de RMN à l’état solide, notre travail s’est particulièrement concentré sur l’augmentation de la teneur en céramique dans la matrice polymère.
Projets en cours sur les batteries