Électrodes positives composites dans les batteries à l’état solide : influence du procédé de fabrication sur les performances électrochimiques
Le développement de batteries tout solide (SSBs) à haute densité énergétique et à faible coût est essentiel pour l’adoption à grande échelle des technologies de stockage d’énergie de nouvelle génération. Parmi les différents candidats pour la cathode, le LiFePO4 (LFP) et le LiFe1??Mn?PO4 (LFMP) offrent des avantages en termes de sécurité et de coût, mais présentent des tensions de fonctionnement faibles et une cinétique limitée comparées aux oxydes lamellaires riches en nickel tels que le LiNi0.85Mn0.05Co0.1O2 (NMC85). Afin d’équilibrer densité énergétique, puissance et stabilité, ce projet de thèse vise à développer des cathodes composites combinant LFMP et NMC85 dans des proportions optimisées pour des configurations tout solide utilisant des électrolytes à base de soufre (Li6PS5Cl). Nous examinerons l’influence des méthodes de fabrication — notamment la préparation des électrodes faites à partir d’encres et l’optimisation du couple liant–solvant — sur les performances électrochimiques et structurales obtenues. Des caractérisations approfondies operando et in situ (XRD, Raman et RMN) seront menées afin d’élucider la diffusion du lithium, les mécanismes de transition de phase et le comportement rédox au sein des systèmes composites. La spectroscopie d’impédance électrochimique (EIS) et des méthodes de titration permettront de quantifier la cinétique du lithium à différents états de charge. En corrélant les conditions de fabrication, la microstructure et le comportement électrochimique, ce projet vise à identifier les compositions de cathodes et les stratégies de fabrication optimales pour des SSBs performantes et industrialisables. Au global, le projet vise à fournir une compréhension complète des relations structure–propriété dans les cathodes composites, ouvrant la voie à des batteries tout solide pratiques offrant une sécurité, une stabilité et une rentabilité accrues.
Analyse multi-modale par résonance magnétique nucléaire in situ des phénomènes électrochimiques dans des prototypes de batteries commerciales
Le développement des technologies de stockage d'énergie électrochimique est impossible sans une compréhension à l'échelle moléculaire des processus tels qu'ils se produisent dans les dispositifs commerciaux pratiques. Certains aspects de la conception des batteries, tels que la composition chimique et l'épaisseur des électrodes, ainsi que la configuration des collecteurs et des languettes de courant, influencent les distributions de densité de courant électronique et ionique et déterminent les limites cinétiques du transport ionique à l'état solide. Ces effets, à leur tour, modulent les performances et la longévité globales des batteries. Pour ces raisons, les résultats des tests de piles boutons conventionnelles ne convergent souvent pas vers des cellules commerciales hautes performances. Les préoccupations de sécurité liées à la forte densité énergétique et aux composants inflammables des batteries constituent un autre sujet crucial pour la conversion des énergies fossiles aux énergies vertes.
La spectroscopie et l'imagerie par résonance magnétique nucléaire (RMN, IRM) sont exceptionnellement sensibles à l'environnement structurel et à la dynamique de la plupart des éléments présents dans les matériaux actifs des batteries.
Récemment, des méthodes de RMN et d'IRM à balayage de surface prêtes à l'emploi ont été introduites. Dans le cadre de la recherche électrochimique fondamentale, la fusion de deux concepts innovants et complémentaires au sein d'un dispositif multimodal (RMN-IRM) permettrait de proposer diverses solutions analytiques et des mesures fiables de la performance des batteries pour le monde universitaire et le secteur de l'énergie.
Ce projet vise à développer un cadre analytique avancé pour l'analyse in situ de phénomènes fondamentaux tels que le transport d'ions à l'état solide, l'intercalation et les transitions de phase associées, la dynamique du placage métallique, la dégradation des électrolytes et les défauts mécaniques dans les batteries Li-ion et Na-ion commerciales, dans diverses conditions de fonctionnement. Une gamme de capteurs multimodaux (RMN-IRM) sera développée et utilisée pour l'analyse approfondie des processus électrochimiques fondamentaux dans les cellules et les petits packs de batteries commerciaux.