Réseau sur le stockage électrochimique de l'énergie,
centre de recherche sur les batteries et supercondensateurs
Li-ion avancé
Responsable L. Croguennec (ICMCB-Bordeaux), Co-responsable L. Monconduit (ICG-Montpellier)

Le groupe thématique «Li-ion avancé» a pu rapidement se mettre en place autour de sujets déjà bien identifiés, et initier de nouveaux axes de recherche en s’appuyant sur l’expertise apportée par les nouveaux partenaires (intégrés au RS2E et non membres d’Alistore-ERI) que sont l’IS2M, le CEMHTI, le LCMCP, le PECSA et le LEPMI. L’activité de recherche du groupe thématique « Li-ion avancé » est principalement orientée vers la synthèse de nouveaux matériaux et la compréhension fine des mécanismes mis en jeu lors de leur cyclage en batteries Lithium-ion. Nos travaux ne se limitent pas exclusivement à la caractérisation du matériau issu de la synthèse, il est en effet essentiel de suivre les modifications de ses propriétés (structure, processus redox, propriétés de transport, chimie aux interfaces …) au cours du cyclage afin d’être en mesure de proposer de nouveaux matériaux ou d’optimiser les matériaux existants. Ces travaux font appel à la fois des expertises en cristallochimie, spectroscopies, électrochimie et modélisation.

Les matériaux d’électrodes positives

Il s’agit de proposer de nouveaux matériaux éco compatibles et délivrant de fortes densités d’énergie. De nombreux phosphates et sulfates de métaux de transition et d’alcalins ont été récemment obtenus dans le cadre du RS2E : ils présentent des compositions et des structures originales, par exemple de type Tavorite, Triplite ou KTP. La possibilité de modifier la nature du métal de transition et des anions permet de moduler la composition, la structure, la liaison chimique et ainsi largement le potentiel de ces matériaux. Le nouveau matériau LiFeSO4F de structure Triplite, dont la densité d’énergie théorique est supérieure à LiFePO4, présente ainsi le potentiel le plus élevé jamais observé pour le couple redox Fe2+/Fe3+ (3.9 V vs. Li). Il s’agit également pour ces matériaux de déterminer le paramètre clé permettant de contrôler la stabilisation d’un polymorphe préférentiellement à un autre pour in fine explorer de nouvelles compositions et structures.

La voie originale consistant à imprégner des carbones mésoporeux afin de cristalliser à l’échelle nanométrique différents composés polyanioniques est également un axe de recherche prioritaire du RS2E. Il s’agit d’évaluer l’influence de la taille des particules sur les mécanismes d’insertion/désinsertion du lithium lors de leur utilisation dans des batteries Lithium-ion mais aussi, de stabiliser de nouveaux polymorphes par effet de nano-confinement.

Les matériaux d’électrodes négatives

Le premier volet concerne également les effets du nanoconfinement sur les mécanismes et performances des matériaux de conversion et d’alliages à base de Sn, P, Sb. Il s’agit de suivre les effets de taille et d’interface sur les propriétés thermodynamiques et cinétiques de ces matériaux d’électrode pour en améliorer les performances en i) augmentant la conduction électronique, ii) diminuant l’impact de l’expansion volumique en cyclage et la perte de contacts électriques inter-grains. Des carbones présentant des propriétés texturales, structurales et de chimie de surface parfaitement contrôlées sont préparés par nanoduplication de silices à porosité variable. Le confinement de l’espèce active se fait par imprégnation en solution, ou vaporisation/condensation. La synthèse « one-pot » basée sur l’auto-assemblage de polymères à blocs est aussi réalisée. Le deuxième volet concerne l’amélioration des performances et la compréhension des mécanismes de défaillance d’un matériau de conversion prometteur TiSnSb, matériau dont les performances rivalisent avec celles du Si.

Les matériaux actifs de batteries Lithium-ion sont formulés avec des additifs (liant(s) polymère(s), agent(s) conducteur(s) électronique(s)) pour former une électrode de positive ou de négative performante. Le design de la formulation de l’électrode est essentiel pour bien comprendre l’activité électrochimique d’un matériau actif et optimiser ses performances en batteries. La caractérisation des propriétés électriques multi-échelles au sein des électrodes composites se fait par spectroscopie diélectrique large bande. Ces travaux sont réalisés en lien avec la plateforme benchmarking

Les électrolytes

Les activités sur les électrolytes sont orientées vers la synthèse et la caractérisation électrochimique et physico-chimique d’électrolytes innovants et performants pour les générateurs électrochimiques, au delà des batteries Lithium-ion. Les électrolytes étudiés sont des électrolytes liquides (solvant, liquide ionique), polymères ou solides. Les recherches associent des approches finalisées (solutions innovantes pour les générateurs de demain) et fondamentales, en particulier des approches liées : i) à la compréhension des électrolytes concentrés et à l’étude de leur dynamique et structuration, ii) à l’étude de l’impact des additifs et formulations et iii) à la caractérisation de l’interface électrolyte/électrode. La stratégie est d’associer dès la conception des électrolytes une approche matériau et électrochimie, essentielle pour permettre l’élaboration d’électrolytes potentiellement industrialisables et électrochimiquement viables.