Réseau sur le stockage électrochimique de l'énergie,
centre de recherche sur les batteries et supercondensateurs
Nouvelles chimies
Coordinateur : Romain Berthelot (ICGM)

Les études menées sur les technologies alternatives au Li-ion visent principalement à établir une connaissance fondamentale de chaque système tant au niveau du matériau que des interfaces et des électrolytes. Elles permettent d’identifier les limitations et ainsi de développer des stratégies pour les contourner. L’objectif final étant de faire déboucher ces études vers la construction de prototypes.

La mission essentielle du RS2E étant d’anticiper le futur, on comprend mieux pourquoi la thématique « Nouvelles Chimies » constitue un axe stratégique du réseau.  Cette volonté d’explorer l’après Li-ion est motivée par plusieurs facteurs que sont le désir de prévoir les alternatives à la technologie Li-ion en raison des réserves limitées de lithium et des problèmes géopolitiques et éthiques qu’engendre l’utilisation d’autres éléments comme le cobalt ou le nickel, de développer des technologies écologiques et durables, d’explorer de nouveaux systèmes offrant de bonnes performances énergétiques pour un coût réduit et de réaliser des systèmes sûrs à risque minimum.

Axes de recherche

  • Redox Flow: Ces accumulateurs sont constitués de deux demi-cellules, l’une pour l’oxydation, l’autre pour la réduction, séparées par une membrane échangeuse d’ions. Leur intérêt provient principalement des possibilités de découpler puissance et énergie (nombre et taille des cellules vs concentration et volume des catholytes et anolytes). Nos recherches visent le développement de nouvelles configurations, de nouvelles membranes et de nouveaux couples sans pour autant négliger l’aspect fluidique du système et son coût. Ce projet profite d’interactions fructueuses avec le Club des industriels.

 

  • Tout Solide: Ces accumulateurs reposent sur l’assemblage d’électrodes et d’électrolytes solides. Les difficultés majeures résident dans la maîtrise des interfaces et dans le design de conducteurs ioniques plus performants. C’est sur ces aspects que nous travaillons en ayant la chance de disposer d’un Spark Plasma Sintering (SPS) pour l’assemblage. 

 

  • Na-ion: Le principe des batteries Na-ion est totalement calqué sur celui des batteries Li-ion. La seule différence est que ces accumulateurs utilisent le sodium qui est un élément moins coûteux et plus abondant que le lithium. Nos efforts sont consacrés à l’identification de matériaux d’électrodes plus adéquats et d’électrolytes plus stables. L’étude de la SEI et l’évaluation des systèmes complets tant au niveau performance que sécurité sont nos autres axes de travail principaux.

     

 

  • Li-air: Il s’agit de la technologie qui suscite aujourd’hui le plus d’engouement en raison de sa densité d’énergie 10 fois supérieure au Li-ion. Cependant, elle rassemble en elle les deux échecs électrochimiques de ce dernier siècle que sont l’électrode à oxygène des piles à combustible et l’électrode à Li. Nos recherches visent à l’établissement d’une plateforme de connaissances sur les mécanismes réactionnels afin de proposer des alternatives tant au niveau des électrolytes utilisés que de l’électrode négative.

 

  • Li-S: Vieille de plus de 40 ans, cette technologie refait surface sans que ses problèmes inhérents, comme la solubilité des polysulfures, aient été maîtrisés. Sa valeur ajoutée se situe comme la technologie Li-air au niveau de sa densité d’énergie. Nos recherches visent actuellement à innover dans la configuration de tels accumulateurs au niveau de la membrane et des électrolytes.

  • Systèmes Divalents: Le magnésium et le calcium sont des métaux très abondants et l’utilisation d’ions Mg2+ ou Ca2+ permet théoriquement de doubler la capacité par ion échangé. La recherche autour des systèmes électrochimiques Mg-ion ou Ca-ion s’inscrit donc dans le développement de batteries performantes et plus respectueuses de l’environnement. Dans cette thématique, l’effort est porté sur toutes les composantes d’une batterie : matériaux d’électrode positive et négative, ainsi que électrolytes.

Parmi les technologies évoquées (qui n’ont rien de nouvelles car déjà étudiées dans le passé, mis à part Na-ion), on soulignera que les études effectuées sur Li-S, Li-air et Na-ion se font respectivement dans le cadre d’un contrat Européen «EUROLIS», d’une «Task Force» Li-air et en conjonction avec ALISTORE-ERI pour Na-ion.