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Mise au point de batteries organiques usant d’électrolytes solides – DEOSS

DEvelopment of Organic batteries with Solid-State electrolytes (DEOSS)

Mise au point de batteries organiques usant d’électrolytes solides

Vers des batteries organiques tout solide

Le projet de recherche fondamentale DEOSS vise à développer l’utilisation d’électrolytes solides dans le domaine des batteries organiques. DEOSS se trouve donc à la croisée de différentes problématiques, à savoir : i) le développement de moyens sûrs, efficaces et éco-compatibles pour stocker réversiblement l’énergie électrique, ii) la mise en œuvre, à ces fins, des matériaux d’électrode organiques et iii) l’utilisation d’électrolytes solides. Le développement de matériaux organiques électroactifs (MOEs) et leur implémentation en tant que matériaux d’électrodes dans des batteries secondaires connaissent un renouveau prononcé depuis le début des années 2000. En effet, en parfaite adéquation avec les préoccupations environnementales et énergétiques d’aujourd’hui, les MOEs offrent des possibilités différentes de leurs homologues inorganiques. Les MOEs composés d’éléments abondants (C, H, O, N), présentent souvent des réactions électrochimiques multi-électroniques, ils offrent de larges possibilités quant au design (différentes configurations de cellules sont possibles) et à la flexibilité physique des cellules. Enfin les MOEs sont considérés comme un moyen possible de diminuer l’impact environnemental des batteries et également d’offrir une recyclabilité accrue. Cependant, l’assemblage de batteries organiques reste limité encore aujourd’hui. En particulier, l’utilisation des MOEs de faibles masses molaires qui présentent les capacités spécifiques les plus importantes, est souvent stoppée par leur solubilité marquée dans les électrolytes liquides conventionnels. D’autre part dans le domaine des batteries secondaires, l’usage d’électrolytes solides se développe rapidement car ils permettent une sécurité accrue pour les accumulateurs et offrent la possibilité d’utiliser en tant qu’électrode négative le lithium métal. Nous proposons donc de façon assez originale de combiner ces deux domaines de recherches modernes.

En effet, le projet DEOSS mettra à profit ces MOEs à haute potentialité en recourant à une jonction ionique solide. Pour mener à bien ce projet ambitieux, nous avons réunis un consortium français de spécialistes, à la fois des MOEs et des électrolytes solides en associant le LG2A (Amiens), l’IMN (Nantes), le LRCS (Amiens) et l’IPREM (Pau). L’approche scientifique que nous avons adoptée nous permettra d’évaluer différentes configurations de cellules basées sur des électrodes organiques. Nous testerons, d’une part, la mise en œuvre de MOEs avec des électrolytes solides de types sulfures, classiquement utilisés dans le domaine, dans des configurations MOE/Li puis MOE/MOE. D’autre part, nous nous emploierons à préparer et évaluer de nouveaux matériaux organiques capables d’assurer la jonction ionique à l’état solide, de type structures organiques covalentes ioniques et lamellaires. Nous assemblerons ensuite des cellules de nouveau avec une configuration MOE/Li puis MOE/MOE en utilisant les meilleurs de ces nouveaux électrolytes solides organiques. Cette stratégie sera associée à une étude systématique des interfaces issues de nos cellules tests à l’aide des savoirs faires et des équipements dont disposent nos équipes (RS2E, LRCS, LG2A, IPREM, IMN). Ces études croisées (SEM, STEM EELS, XPS, ToF-SIMS) nous guideront vers l’amélioration de nos cellules. Finalement ce plan de travail nous permet d’envisager l’obtention de batteries organiques tout-solide caractérisées par une densité d’énergie de ~ 50 Wh/kg, avant optimisation.

Le projet DEOSS est un projet de recherche exploratoire caractérisé par un nombre important de tâches expérimentales, il a donc été impacté au plus haut point par l’arrêt des manipulations pendant le confinement induit par la crise sanitaire du COVID-19. Le télétravail mis en place ne peut évidemment remplacer la présence en laboratoire. Malgré cela, nous avons mené à bien une première étude de structures COFs issues de la littérature ainsi qu'une première évaluation de l'argyrodite en tant qu'électrolyte solide avec une série de molécules organiques.

L’avancement du projet a donc pris au moins 3 mois de retard sur l’ensemble des tâches. Prochainement, l'évaluation de composés organiques lamellaires va débuter. Basés sur les enseignements tirés de nos premiers résultats, nous préparons nos propres structures de type COFs pour ensuite les évaluer en tant qu'électrolytes solides. D'autre part, une deuxième série de tests électrochimiques visant à optimiser l’électrochimie sera réalisée avec l'argyrodite, ce qui permettra d’autres études des interface/dégradation au cours ou même avant cyclage.

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Le projet de recherche fondamentale DEOSS vise à développer l’utilisation d’électrolytes solides dans le domaine des batteries organiques. DEOSS se trouve donc à la croisée de différentes problématiques, à savoir : i) le développement de moyens sûrs, efficaces et éco-compatibles pour stocker réversiblement l’énergie électrique, ii) la mise en œuvre, à ces fins, des matériaux d’électrode organiques et iii) l’utilisation d’électrolytes solides. Le développement de matériaux organiques électroactifs (MOEs) et leur implémentation en tant que matériaux d’électrodes dans des batteries secondaires connaissent un renouveau prononcé depuis le début des années 2000. En effet, en parfaite adéquation avec les préoccupations environnementales et énergétiques d’aujourd’hui, les MOEs offrent des possibilités différentes de leurs homologues inorganiques. Les MOEs composés d’éléments abondants (C, H, O, N), présentent souvent des réactions électrochimiques multi-électroniques, ils offrent de larges possibilités quant au design (différentes configurations de cellules sont possibles) et à la flexibilité physique des cellules. Enfin les MOEs sont considérés comme un moyen possible de diminuer l’impact environnemental des batteries et également d’offrir une recyclabilité accrue. Cependant, l’assemblage de batteries organiques reste limité encore aujourd’hui. En particulier, l’utilisation des MOEs de faibles masses molaires qui présentent les capacités spécifiques les plus importantes, est souvent stoppée par leur solubilité marquée dans les électrolytes liquides conventionnels. D’autre part dans le domaine des batteries secondaires, l’usage d’électrolytes solides se développe rapidement car ils permettent une sécurité accrue pour les accumulateurs et offrent la possibilité d’utiliser en tant qu’électrode négative le lithium métal. Nous proposons donc de façon assez originale de combiner ces deux domaines de recherches modernes. En effet, le projet DEOSS mettra à profit ces MOEs à haute potentialité en recourant à une jonction ionique solide. Pour mener à bien ce projet ambitieux, nous avons réunis un consortium français de spécialistes, à la fois des MOEs et des électrolytes solides en associant le LG2A (Amiens), l’IMN (Nantes), le LRCS (Amiens) et l’IPREM (Pau). L’approche scientifique que nous avons adoptée nous permettra d’évaluer différentes configurations de cellules basées sur des électrodes organiques. Nous testerons, d’une part, la mise en œuvre de MOEs avec des électrolytes solides de types sulfures, classiquement utilisés dans le domaine, dans des configurations MOE/Li puis MOE/MOE. D’autre part, nous nous emploierons à préparer et évaluer de nouveaux matériaux organiques capables d’assurer la jonction ionique à l’état solide, de type structures organiques covalentes ioniques et lamellaires. Nous assemblerons ensuite des cellules de nouveau avec une configuration MOE/Li puis MOE/MOE en utilisant les meilleurs de ces nouveaux électrolytes solides organiques. Cette stratégie sera associée à une étude systématique des interfaces issues de nos cellules tests à l’aide des savoirs faires et des équipements dont disposent nos équipes (RS2E, LRCS, LG2A, IPREM, IMN). Ces études croisées (SEM, STEM EELS, XPS, ToF-SIMS) nous guideront vers l’amélioration de nos cellules. Finalement ce plan de travail nous permet d’envisager l’obtention de batteries organiques (Li à la négative) tout-solide caractérisées par une densité d’énergie de ~ 50 Wh/kg, avant optimisation.

Coordination du projet

Franck Dolhem (Laboratoire de Glycochimie, des Antimicrobiens et des Agroressources)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

IPREM INSTITUT DES SCIENCES ANALYTIQUES ET DE PHYSICO-CHIMIE POUR L'ENVIRONNEMENT ET LES MATERIAUX
LRCS Laboratoire réactivité et chimie des solides
IMN INSTITUT DES MATERIAUX JEAN ROUXEL
LG2A Laboratoire de Glycochimie, des Antimicrobiens et des Agroressources

Aide de l'ANR 471 906 euros
Début et durée du projet scientifique : février 2019 - 42 Mois

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