MAtériaux NMC riches en Li et Mn pour batterieS Li-ion de forte énergie associées aux énergies renouvelables – ALiSé

L’objectif global du projet industriel est de proposer des accumulateurs Li-ion avec une énergie spécifique élevée pour l’application stockage associé aux énergies renouvelables. Ceci doit s’accompagner d’une amélioration de la sécurité et d’une réduction de coût, dans le respect de l’environnement. Les oxydes lamellaires lithiés de nickel, manganèse et cobalt, riches en lithium et en manganèse, ou « HE-NMC », sont de bons candidats pour répondre à ces besoins. L’objectif scientifique est de comprendre les matériaux HE-NMC afin d’optimiser leur utilisation en termes de performance initiale et de vieillissement.

Les matériaux HE-NMC ont la particularité de pouvoir s’activer lors du premier cycle à haut voltage, ce qui s’accompagne d’une réorganisation importante de la structure du matériau et permet d’obtenir des densités d’énergie bien supérieures à celles obtenues avec les matériaux classiques, tout en réduisant le coût en €/Wh, grâce au fort taux de Mn. Quatre verrous scientifiques et techniques ont été identifiés, qui ont été pris en compte dans les tâches 1 à 4. Le premier verrou (tâche 1) est la compréhension des mécanismes structuraux limitant le matériau. Il reste aujourd’hui à approfondir l’influence du changement structural lors de l’activation sur la capacité irréversible et la polarisation, aujourd’hui trop élevées, pour proposer des solutions d’amélioration. La tâche 2 consiste à caractériser l’interface électrodes/électrolyte. En effet, la nécessité de charger le matériau à une tension supérieure à 4,4V implique une forte interaction avec l’électrolyte (deuxième verrou). La tâche 3 est centrée sur le choix d’un électrolyte résistant à l’oxydation (troisième verrou). Enfin la tâche 4 consiste à adapter la formulation de l’électrode positive à la morphologie et aux limitations spécifiques du matériau HE-NMC (quatrième verrou). La tâche 5 consiste en un passage à l’échelle pilote industriel tant au niveau de la synthèse du matériau (échelle >10kg) que des tests électrochimiques en éléments prototypes cylindriques. Deux générations de prototypes sont prévues à T0+18 et T0+29. Leurs définitions seront choisies en fonction des résultats des tâches 1 à 4. Il est prévu d’ouvrir des éléments vieillis (cyclage /stockage) pour analyses post-mortem dans les tâches 1, 2 et 4 à T0+24 et T0+38. Enfin, la coordination du projet est l’objet de la tâche 0 et la valorisation et l’exploitation des résultats est l’objet de la tâche 6.

Ce projet implique 5 partenaires, dont 2 partenaires industriels et 3 partenaires universitaires. Il s'appuie d'une part sur la grande expertise de l'université de Pau sur les études de surface/interface par XPS, les solides compétences de l'université de Tours sur les électrolytes pour le stockage de l’énergie et la forte expérience de l’université de Nantes en caractérisation structurale de matériaux pour le stockage de l’énergie. Ce projet profite d’autre part des connaissances poussées d’Umicore en développement, production de matériaux pour batterie et de l’expertise de Saft couvrant tous les composants de la batterie, jusqu’à la fabrication et le test de prototypes industriels.

Les enjeux économiques et sociétaux sont importants car la pénétration des énergies renouvelables dans le mix énergétique nécessite le développement de systèmes de stockage toujours plus performants. Le projet est novateur car il vise à intégrer en élément prototype un matériau encore aujourd’hui au stade de la recherche industrielle, avec une approche globale couvrant l’ensemble des composants de l’accumulateur. Le design des prototypes sera défini en réponse aux paramètres limitants identifiés au cours du projet.

Une aide de 872 591 € est demandée pour ce projet pour un coût global de 2 394 605 €.