Caractérisation multiéchelles et modélisation des propriétés de transport, ainsi que leur influence sur les performances en puissance d’électrodes composites de batteries au lithium à haute densité d’énergie – PEPITE

En opposition à la plupart des recherches académiques qui portent sur le développement des matériaux, cette proposition aborde la question de la technologie des électrodes, et l’influence de celle-ci sur les limitations de puissance et d'énergie des batteries Li-ion, dont la capacité est limitée à 50% de la valeur théorique. En effet, dans les batteries commerciales, les électrodes sont minces pour montrer une puissance acceptable en raison des limitations au transport des charges (ions et électrons). Par conséquent, 50% du poids et du volume des batteries sont des matériaux et des éléments qui ne stockent pas de l’énergie (collecteurs, séparateurs, et l'électrolyte). Pour augmenter la densité d'énergie et de diminuer le coût du kWh stocké pour les batteries Li -ion, il est nécessaire de concevoir des électrodes épaisses en dépassant les limites actuelles au transport des charge dans celles-ci.

Pour atteindre ce but, il faut travailler sur la technologie des électrodes afin de comprendre et optimiser le transport de charge dans ces multi-matériaux hiérarchiques complexes. Malgré des décennies de travail, ce sujet est encore mal compris et par conséquent les outils de modélisations des performances des batteries ne sont pas assez performants.

La nouveauté de notre approche réside dans la mise en œuvre d’une approche globale (multiples mesures et simulations) avec l'utilisation de nouvelles technique de mesure avancées (RMN haut champ, Spectroscopie électrique large bande, du mHz au GHz) et de technique d'imagerie (tomographie RX et FIB/SEM), et l’injection des résultats des mesures dans des simulations. Certaines études sur la technologie des électrodes ont déjà été publiées dans le monde, mais la plupart du temps avec une seule technique (par exemple de tomographie). Il est rare que soit étudié dans un même projet à la fois la conduction électronique et le transport ionique.

Notre engagement dans ce projet est de (i) permettre une interprétation rigoureuse des observations, et d'étudier l'influence des paramètres clés (épaisseur, la porosité, la tortuosité, composition ...), et (ii) d’améliorer les simulations avec de nouvelles données expérimentales fiables. Notre but ultime est de fournir une compréhension d’une cellule électrochimique basée sur la modélisation à l'échelle de la microstructure.
Nous allons également chercher à créer des architectures d'électrodes innovantes avec une cinétique sensiblement améliorés, permettant la conception de batteries lithium-ion de densité d'énergie beaucoup plus élevées pour les applications automobiles. Nous ciblons la conception d'une électrode positive (96% de matière active, 25% de porosité) de capacité surfacique 10mAh/cm² maintenant 90% de sa capacité au régime 1C à température ambiante et 80% à 0 ° C afin d’atteindre une densité énergétique supérieure tout en respectant les performances en puissance requises.

Ce projet comble une lacune dans le flux de travail et des connaissances dans le domaine des batteries Li-ion:
- L'approche fondamentale et les nouveaux outils apporteront de nouvelles connaissances scientifiques et à court terme des améliorations aux batteries. Comme l'accent est mis sur les matériaux commerciaux d'aujourd'hui, les résultats seront rapidement intégrés dans les batteries commerciales.
- L'ambition est de fournir un outil aux industriels pour optimiser leurs formulations d'aujourd'hui et de demain.

Le consortium regroupe des laboratoires de premier plan dans le domaine (IMN, CEMHTI, GeePs, MATEIS, ICMMO), ayant une expertise spécifique sur les différentes techniques d'analyse de pointe proposées, habitués à collaborer sur des projets, ainsi que l’expertise en modélisation de deux partenaires industriels et leur vision pratique (RENAULT, AUROCK).