Interfaces dans les Anodes de Conversion : Etude de fiabilité et d’efficacité – ICARES

Le déclin prévisible des énergies fossiles et la lutte contre l'effet de serre sont des défis incontournables nécessitant l’optimisation du stockage de l'énergie. Les batteries lithium ion (Li-ion) sont aujourd’hui considérées comme capables de répondre aux exigences du marché de la production d’énergie en sites isolés. Cependant elles n’ont pas pu à ce jour s’imposer sur le marché du transport du fait de densités d’énergie trop faibles, essentiellement imputables à la faible capacité des électrodes. Les matériaux de conversion représentent une avancée majeure en termes de densité d’énergie, corrélée à l’échange de plusieurs Li par atome de métal M à comparer aux classiques réactions d’insertion qui sont limitées à 1Li par M. La réaction de conversion transforme le matériau de départ en nanoparticules métalliques dans une matrice de Li3X (MXx + 3xLi --> xLi3X + M° (M= Ni ; X=P, Sb, S)). Ces réactions de conversion sont activement étudiées dans le réseau européen Alistore-ERI et ont donné lieu à de nombreuses publications et brevets. Actuellement leurs performances sont limitées par une rapide perte de capacité en cyclage les rendant inexploitables. C’est ce verrou que nous souhaitons lever par i) la préparation d’électrodes composites (Matériau Actif/additif carboné/liant) et ii) la compréhension des mécanismes de dégradation de l’électrolyte. Trois matériaux de conversion seront étudiés comme matériaux actifs (MA : NiP2, TiSnSb, SnS2). Après l’étape de la formulation d’électrodes (ajout d’additifs carbonés et de liants selon des procédés spécifiques), nous analyserons l’interface électrode/électrolyte par les techniques de surface les plus adaptées afin de suivre les réactions de décomposition de l’électrolyte en surface du MA. Plusieurs électrolytes seront testés, modifiant ainsi la nature de l’interface entre les grains du matériau actif et de l’électrolyte (SEI). L’impact de ces réactions sur les performances de la batterie sera systématiquement évalué. Le but de cette étude fondamentale est d’optimiser la tenue en cyclage de ces nouveaux matériaux de conversion dans des conditions réelles, en optimisant l’électrode et la composition de l’électrolyte et en limitant ainsi les effets parasites de sa dégradation. Pour réussir ce projet un consortium de quatre partenaires spécialistes des domaines des matériaux, des électrodes, des électrolytes et des techniques de caractérisation de surface a été mis en place. Trois d’entre eux sont responsables de plateformes techniques du réseau Alistore. Le projet est organisé en 3 tâches. Après l’étape de synthèses permettant d’obtenir les MA de composition et morphologie contrôlée (T1.1), une formulation adaptée d’électrode sera mise en œuvre (T1.2) afin d’optimiser les performances en cyclage. Les électrodes composites ainsi obtenues seront parfaitement caractérisées par les techniques de rhéologie et physicochimiques (T1.3). Des électrolytes de grande pureté seront préparés et caractérisés en T2. L’étude des interfaces électrodes/électrolyte sera réalisée sur les électrodes/électrolytes préparés en T1 et T2 par des techniques complémentaires de caractérisation de surface et grâce au savoir-faire associé des différents spécialistes. Les propriétés de conductivité seront analysées par spectroscopie d’impédance, alors que la composition et les propriétés physicochimiques de la SEI ainsi que son évolution en cyclage seront étudiées par XPS, spectroscopie RMN du solide et spectroscopie Mössbauer de surface. En fin de projet, il sera possible de généraliser les connaissances acquises sur la dégradation de l’électrolyte à d’autres matériaux de conversion.