Batteries tout solide à ions fluorure – FLUOBAT

L’énergie nécessaire au fonctionnement des applications industrielles, domestiques ou de transport, est fournie par des générateurs statiques (centrales électriques, piles à combustible de grande taille) ou mobiles (batteries, piles à combustible de petite taille). Parmi les systèmes électrochimiques de stockage disponibles, une attention particulière a été accordée aux batteries rechargeables en raison, notamment, de leur aptitude à stocker de façon réversible de l'énergie alors qu’un vecteur chimique est nécessaire pour les piles à combustible (H2, méthanol,...). Par conséquent, ce moyen de stockage électrochimique est considéré comme l'une des technologies les plus prometteuses pour relever les futurs défis sociétaux dans le domaine de l’énergie. Cependant, des améliorations des performances des systèmes actuels doivent être réalisées pour répondre aux futurs besoins en termes de densité d'énergie, de durée de vie (cyclage), coût… En outre, il faut tenir compte du fait que, pour les batteries Li-ion actuelles, le coût du lithium devrait augmenter considérablement avec leur commercialisation à grande échelle. Par conséquent, les voies pour satisfaire les objectifs ciblés peuvent consister à trouver de nouvelles familles de matériaux et/ou de nouveaux concepts de batterie qui permettraient d'atteindre des potentiels plus élevés et/ou des capacités massiques ou volumiques plus importantes, à faible coût, dans des conditions sûres et durables d’utilisation. Des performances remarquables sont attendues des batteries à l'état solide à ions fluorure. Ce concept proposé il y a une trentaine d’années par Lucat 1 n'a pas donné lieu à un développement commercial en raison surtout d'une faible conductivité ionique de l'électrolyte. Ce type de batterie tout solide est actuellement commercialisé,2 à un coût prohibitif pour des applications très spécifiques (forages pétroliers et gaziers). Récemment, les résultats obtenus avec des fluorures nanostructurés ont donné un regain d'intérêt à ce concept.3 En effet, ces systèmes sont très attractifs puisque d'un point de vue théorique ; ils peuvent délivrer de hauts potentiels (3 à 5 V) et de fortes capacités (1000-2000 Wh.kg-1 ou 2000-5400 Wh.L-1). Dans ces dispositifs, un processus de conversion a lieu entre un fluorure métallique (MFn) à la cathode et un métal (M') à l'anode séparées par un électrolyte solide conducteur d’ions fluorure ; la décharge complète aboutit à la réduction de MFn en métal M et à l'oxydation de M’ en M’Fn. L'utilisation de telles batteries pourrait conduire à une percée significative dans le domaine des dispositifs de stockage d'énergie. L'objectif principal de ce projet est de trouver les meilleures combinaisons de matériaux fluorés (électrodes et électrolyte) avec comme finalité la mise au point industrielle de ces batteries tout solide. Les équipes de recherche concernées par ce projet sont impliquées, pour certaines, depuis plusieurs décennies dans la préparation et la caractérisation de nouveaux composés fluorés ou dans le domaine de l'électrochimie de systèmes fluorés. En outre, les deux partenaires industriels associés sont reconnus comme leaders dans le domaine des batteries (Saft) et des technologies du fluor (Rhodia). Ainsi, plusieurs tâches ont été identifiées, depuis la préparation des fluorures et leurs caractérisations jusqu’à leur évaluation en tant que constituants de batteries à ions fluorure. La fin de cette étude proposera un prototype de batterie basé sur les matériaux d'électrode et l'électrolyte sélectionnés. Tous les composants seront structurés éventuellement à l'échelle nanométrique, afin d'améliorer les performances en termes de potentiels de cellule, de capacités de stockage réversible et de durée de vie. Un développement à l'échelle industrielle de l'élaboration des matériaux est également prévu.

1 C. Lucat, thèse, Bordeaux (1976).
2 A. A. Potanin, Brevet, WO 2006/112756, 2006.
3 M. A. Reddy, M. Fichtner. J. Mater. Chem. 21 (2011) 17059.