Couplage AFM et Spectroscopie Raman aux techniques électrochimiques en vue du diagnostic pointu des batteries Li-ion – CarLIB

L’essor des énergies renouvelables va nécessiter le développement de systèmes de stockage d’énergie efficaces et bon marché. Pour répondre à ces besoins, les batteries au lithium (LIBs) ont été largement exploitées ces vingt dernières années. Si la densité en énergie de ces systèmes est assez satisfaisante, en particulier du point de vue de l’industrie automobile pour les véhicules hybrides (HVs), une amélioration drastique est impérative pour augmenter l’autonomie des véhicules tout électrique (BEVs) jusqu’à atteindre le cap des 300 miles. De nouveaux matériaux présentant une grande capacité de rétention du lithium tels que le silicium, l’étain ou les matériaux à haute tension tels que les oxydes ou les poly-anions présentent déjà un fort potentiel pour contribuer à la prochaine transition énergétique. Toutefois, des problèmes cruciaux intrinsèquement liés au fonctionnement de ces matériaux accélèrent toujours la dégradation inéluctable de leur performance et doivent être résolus au plus vite.

La compréhension des processus fondamentaux régissant le fonctionnement et la dégradation des batteries au Lithium a été et est toujours atteinte par comparaison croisée de techniques diagnostiques implémentées post mortem sur les matériaux d’électrode. Le projet proposé contraste avec les approches précédentes en proposant une plateforme analytique de pointe aux capacités diagnostiques multi-échelles inégalées pouvant être mises en oeuvre in operando, c’est-à-dire pendant le fonctionnement de la batterie.

La stratégie du projet consiste à associer la spectroscopie vibrationnel, la microscopie locale (SPM) et les techniques électrochimiques avancées (impédance : EIS) pour effectuer un diagnostic complet. En sélectionnant des couplages adaptés, la cartographie de composition et de topographie de matériaux de batterie pourra être mise en œuvre in operando à l’échelle micrométrique (Raman et microscopie locale co-localisées) ou bien ex situ à l’échelle nanométrique (spectroscopie Raman exaltée sous pointe SPM : TERS ou nanoRaman). Le suivi de la diffusion du lithium au sein du matériau ou à l’interface avec l’électrolyte sera également possible depuis l’échelle macroscopique (EIS et microbalance) jusqu’à l’échelle micro/nano (EIS et microscopie locale).

En suivant et corrélant les propriétés du matériau actif et de l’interphase d’électrolyte solide (SEI) à différentes échelles jusqu’à 10nm, nous anticipons des avancées majeures dans la compréhension des pertes de capacité de stockage du lithium. Les problèmes suivants, expliquant cette diminution de capacité pour quelques matériaux prometteurs (étain, silicium, LiNi0.5Mn1.5O4, LiCoPO4) seront en effet abordés :

1- Instabilité du matériau d’électrode (chimique, mécanique): perte de matériau actif
2- Réactions secondaires (passivation non-effective des électrodes): perte irréversible de lithium cyclable et augmentation de la résistance interfaciale
3- Limitation de la diffusion et de la retention du lithium: capacité et vitesse de charge limitées


Des orientations dans l’élaboration des électrodes et de l’électrolyte seront proposées pour contourner ou éliminer ces problèmes.

De façon certaine, l’impact sociétal de ce projet ambitieux se fera au travers de la compréhension profonde des processus de dégradation permettant une R&D plus efficace sur les LIBS. Enfin, le capital d’investissement nécessaire pour développer les techniques locales in operando est bien inférieur à celui de la résonance magnétique nucléaire ou de la microscopie à transmission et devrait donc faire de ces technologies une priorité.