Architectures 3-D et Fonctionnalisation du Graphène pour le STOCKage du Lithium – Graf'N'Stock

L’objectif de ce programme de recherche et de développements industriels est l’élaboration d’anodes pour accumulateurs lithium-ions à base de graphène. Les applications possibles de ces accumulateurs sont par exemple dans l’aéronautique, la défense, mais aussi pour les nouvelles gammes de véhicules électriques et hybrides et présentent des atouts pour le stockage de l’électricité issue des productions renouvelables photovoltaïque et éolienne. Pour atteindre ces nouvelles applications, une augmentation de la densité d’énergie massique ou volumique est nécessaire, en plus du maintien d’une bonne cyclabilité. Pour cela, le développement d’anodes possédant des capacités augmentées est un point incontournable.
Les anodes graphite actuellement utilisées ont une capacité limitée à 372 mAh/g correspondant à la formation de LiC6. Le projet GRAF’N’STOCK visera à étudier la possibilité d’utiliser le graphène comme constituant d’anode suivant plusieurs rôle. Tout d’abord, il sera évalué comme additif conducteur électronique dans des formulations d’anode. Dans un deuxième temps, des nanocomposites à base de graphène seront évalués comme matière active après fonctionnalisation par des structures moléculaires organiques ou par un couplage avec des nanoparticules, notamment de silicium ou d’étain. Ces nouveaux matériaux à base de graphène seront conçus suivant une approche bottom-up pour permettre une forte augmentation de capacité suivant plusieurs leviers : D’une part en utilisant des additifs, etain ou silicium qui forment des alliages avec le lithium et d’autre part, grâce au contrôle précis de la structure à l’échelle moléculaire, en favorisant des mécanismes différents d’insertion du lithium, notamment le stockage additionnel du lithium dans des zones réservoirs ou sur.les deux faces des feuillets de graphène.
En termes de résultats escomptés, on souhaite obtenir à l’issue de ce projet des électrodes négatives pour accumulateurs lithium-ion possédant une capacité doublée, tout en maintenant un potentiel de décharge de 0.5 V vs Li, et répondant aux besoins industriel en terme de stabilité et de durabilité. Ces travaux s’appuieront sur deux industriels (producteur de graphène et fabricant d’accumulateurs lithium-ion) et deux laboratoires académiques. Pour aboutir à un produit industrialisable au terme du projet, ce projet coordonne une chaîne de compétences complémentaires, avec la synthèse du matériau graphène de base (CEA-Grenoble), sa sophistication à l’échelle du laboratoire (CEA-Grenoble et IMN-Nantes), son « upscaling » par un industriel (Hutchinson-Montargis) et la mise en œuvre de cellule de validation à l’échelle du laboratoire (IMN-Nantes) et de batterie à l’échelle démonstrateur industriel (SAFT-Bordeaux). L’étape de synthèse et de dispersion du graphène étant un verrou technologique important pour son utilisation, ces aspects seront également traités dans le programme de recherche. Ce programme a également pour ambition de soutenir des recherches à caractère plus fondamental visant à relever des défis technologiques et permettant de préparer de nouvelles orientations industrielles à moyen et long terme.