Mesure in-situ et design de la conductivité électronique à toutes les échelles d’une électrode composite de batterie au lithium - – CALICE

Le développement de nouvelles batteries à haute densité d’énergie, haute puissance et grande stabilité en cyclage est souhaité. Pour atteindre ce but, une compréhension fondamentale de la formulation de l’électrode composite, c’est à dire les relations entre son procédé de mise en œuvre, sa morphologie à différentes échelles, ses propriétés électriques et ses performances électrochimiques, est requise. En effet, depuis que l’IMN (coordinateur de ce projet) a montré expérimentalement quel est l’impact de la formulation de l’électrode sur les propriétés électriques et électrochimiques, on doit s’attendre à pouvoir optimiser de façon plus rationnelle et efficace les performances des batteries au lithium. Sur ces bases, le projet CALICE propose, pour la première fois, une étude fondamentale dédiée à l’optimisation de l’efficacité des chemins électroniques (qui est une des deux propriétés majeures d’une électrode composite, l’autre étant la contrepartie ionique) pour améliorer les performances électrochimiques. Dans ce but, nous avons l’intention d’extraire les conductivités électroniques d’une électrode composite à toutes les échelles de son architecture (depuis des distances interatomiques jusqu’à des tailles macroscopiques), en utilisant la spectroscopie diélectrique à large bande (BDS). En effet, les résultats préliminaires issues d’une collaboration entre les partenaires IMN, LCMCP, LGEP et UMICORE montrent que la BDS est très sensible aux différentes échelles de l’architecture de l’électrode mises en jeu dans les transports électroniques, i.e. au dessus des MHz, pour l’échelle interatomique (correspondant aux mouvements se produisant à l’intérieur des grains de matériaux actif (MA) et de carbone (C)), à l’échelle nanométrique (relative aux joints de grains de AM et de C), à l’échelle du micron (relative aux barrières de liant polymérique (B) formées à l’interface entre les grains de MA et de C) et en dessous du MHz, pour les tailles macroscopiques (telles que le réseau de C ou l’interface électrode / collecteur de courant). De plus, nous développerons une nouvelle cellule BDS de façon à pouvoir effectuer pour la première fois, des mesures BDS in-operando pendant le fonctionnement d’une batterie. Enfin, nous évaluerons la possibilité de contrôler les chemins électroniques à l’échelle nanométrique, en introduisant des jonctions moléculaires (JM) entre tous les constituants de l’électrode. Après avoir sélectionné la chimie la plus efficace pour établir les JM, des molécules obtenues par ingénierie moléculaire et possédant des propriétés de transfert électronique optimisées, seront synthétisées par le partenaire CIMA de façon à établir des JM améliorées. La société UMICORE apportera au projet des MA modèles et représentatifs de ceux utilisés pour l’application batterie au lithium. Ce projet de recherche fondamental sera développé avec des électrodes composites qui intègrent des MA avec des caractéristiques physiques pertinentes pour l’application batterie au lithium et donc ces résultats seront transposables aux recherches appliquées au développement industriel de batterie au lithium.