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Optimisation du procédé d’extrusion-laminage pour la fabrication de cellules Li-ion à électrolyte tout-solide

Défis technologiques Matériaux et applications Sciences pour l’ingénieur Stockage électrochimique d’énergie dont les batteries pour la transition énergétique

Résumé du sujet

Les batteries lithium-ion à électrolytes solides (Gen4) sont actuellement développées pour dépasser les performances des batteries à électrolytes liquides en termes de densité d’énergie et de sécurité de fonctionnement. La fraction plus ou moins importante de polymères dans ces électrolytes et dans les électrodes correspondantes laisse envisager l’utilisation de l’extrusion comme un procédé central pour la fabrication à l’échelle industrielle de batteries tout-solide. Déjà largement maitrisé dans la plasturgie, ce procédé doit encore être adapté pour la réalisation de composants de batteries, notamment les électrodes qui ont un taux élevé de charges solides.

Ce sujet de thèse portera sur le développement et l’optimisation de deux étapes clés lors de la mise en œuvre par extrusion : le mélange des constituants dans une extrudeuse bivis, puis la mise en forme de films par extrusion sur filière plate et laminage. Une double approche associant essais expérimentaux et modélisation des procédés sera développée afin d’identifier les limites de processabilité des composants par extrusion. Des matériaux représentatifs seront sélectionnés et mis en œuvre sur des équipements pré-pilotes (extrudeuses, laminoir). L’impact des formulations et des paramètres matériaux (tailles de particules, facteur de forme, …) sera particulièrement étudié pour identifier les conditions les plus favorables à l’extrusion.

Des modèles simples seront développés afin de simuler chaque étape process et ainsi guider les essais expérimentaux. Des outils proposés initialement dans le domaine de la plasturgie (mélange, étirage-laminage) seront évalués puis optimisés pour prendre en compte les spécificités des matériaux de batteries. Des méthodes de caractérisation pourront être adaptées ou mises en place spécifiquement (rhéologie, thermique, conductivité) pour déterminer les propriétés finales des composants et identifier des paramètres nécessaires à la modélisation des procédés.

Enfin un lien avec les performances électrochimiques des composants pourra être réalisé grâce à l’assemblage et l’évaluation de cellules prototypes fonctionnelles, incorporant les composants les plus prometteurs obtenus par extrusion.

Au final, ce travail de thèse permettra de mettre au point des outils de compréhension pour une gamme étendue d’électrolytes solides, afin d’anticiper leur mise en œuvre dès la phase de développement et d’envisager des passages à l’échelle.

Ce sujet de thèse fera appel à des compétences diverses telles que la formulation des matériaux, les procédés de mise en forme des polymères, la caractérisation physico-chimique et la simulation numérique. Le doctorant bénéficiera de l’environnement multidisciplinaire du CEA-LITEN avec un accès à la Plateforme de Prototypage Batteries et aux équipements de caractérisation avancée de la Plateforme de Nanocaractérisation.

Laboratoire

Département de l’Electricité et de l’Hydrogène pour les Transports (LITEN)
Service Technologies Batterie
Laboratoire Prototypage et Procédés Composants
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