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Relations entre réactivé de surface, composition et déformation des électrodes négatives à base de Silicium pour les batteries à électrolyte solide de type sulfure

Chimie physique et électrochimie Défis technologiques Physique de l’état condensé, chimie et nanosciences Stockage électrochimique d’énergie dont les batteries pour la transition énergétique

Résumé du sujet

Les batteries tout solide utilisant des électrolytes à base de sulfures sont parmi les plus étudiées actuellement en vue d’une amélioration de la densité d’énergie, de la sécurité et de la charge rapide. Si initialement le lithium métal était le choix privilégié pour l’anode, les difficultés rencontrées lors de sa mise en œuvre et les performances obtenues laissent penser que des alternatives doivent être recherchées. Le silicium apporte un compromis intéressant en termes de densité d’énergie et de durée de vie. Cependant, des améliorations sont encore nécessaires. Une première thèse sur le sujet a permis de mettre en évidence l’intérêt de l’utilisation de nanomatériaux silicium en combinaison avec l’argyrodite L6PS5Cl. Ces travaux ont également permis de passer de cellules de 0.8 mAh composées de poudres compactées à des cellules de 16 mAh composées d’électrodes enduites tout en réduisant fortement la pression de cyclage de plus de 125 MPa à 1 MPa et en améliorant la durée de vie (90% de rétention de capacité après 160 cycles). Cependant, des questions scientifiques restent ouvertes. Notamment, la réactivité entre l’argyrodite et le silicium qui dépend de la chimie de surface du silicium ainsi que les mécanismes qui permettent aux électrodes enduites de cycler à une pression aussi faible que 1 MPa.
Pour répondre à ces questions nous proposons d’une part d’utiliser l’XPS pour caractériser les interfaces entre l’électrolyte et différents matériaux silicium lors de la vie de la batterie. Et d’autre part de mesurer la déformation des cellules en cours de cyclage. Ces caractérisations couplées à des caractérisations physico-chimiques usuelles et des caractérisations électrochimiques permettront d’améliorer les performances des cellules. Ces améliorations s’appuieront sur l’utilisation de composites nanofils de silicium / graphite performants synthétisés à l’IRIG à l’anode, de NMC avec un revêtement pour la cathode et de travaux de développement de la formulation d’électrodes. Les premiers tests avec les composites silicium / graphite ont été concluants mais l’impact des caractéristiques de ces matériaux sur les performances est à évaluer, notamment le diamètre des fils, la proportion de silicium, la chimie de surface et le choix du graphite. La réalisation d’électrodes enduites, initiée dans la thèse de M. Grandjean en collaboration avec le L2PC, est à développer. Notamment, il est nécessaire d’augmenter la capacité surfacique et les performances en puissance, pour ce faire il faudra accroître la proportion de matériau actif et évaluer différents types de carbone pour le réseau conducteur électrique.
Ces travaux permettront de conserver la dynamique CEA sur le sujet et de proposer une solution pour des batteries de génération 4a qui pourraient succéder aux batteries actuelles grâce à une meilleure compréhension des mécanismes de fonctionnement et de dégradation.

Laboratoire

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