Batterie tout solide au lithium soufre avec un électrolyte polymère – SHUTTLE

Le projet SHUTTLE est une ANR JCJC donc le projet est décomposé en différentes tâches principales avec une tâche de management et trois tâches scientifiques. SHUTTLE est un projet multidisciplinaire à l'interface entre les domaines de la science des polymères (synthèse et caractérisation), électrochimie (électrodes, électrolyte, interface) et science des matériaux (caractérisation par tomographie aux rayons X et aux Neutrons).

Les principaux résultats sont listés ci-dessous:

• Tâche 1 : Caractérisation des polymères.
Le stage de M2 a permis de produire l’ensemble des matériaux, et en quantité suffisante, qui seront étudiés comme séparateur et agent fonctionne liant au sein de batterie au Li métal avec une électrode positive composite à base de soufre.

• Tâche 2 : Caractérisation des matériaux et des interfaces.
Des électrodes à base soufre ont commencé à être formulées incorporant des électrolytes polymères.

• Tâche 3 : Caractérisation operando.
Un article publié en « open access » dans Frontiers in Energy Research (DOI: 10.3389/fenrg.2021.657712) en juin 2021. Cet article présente une preuve de concept démontrant l’intérêt de la tomographie aux Neutrons pour l’étude des électrodépôts de lithium dendritique. Pour cela, une première génération de cellule électrochimique a été mise au point puis cyclée avant d’être amenée à la ligne d’imagerie de l’ILL (Institut Laue Langevin, Grenoble). Pour valider notre approche, cette même cellule a aussi été imagée par tomographie aux rayons X au laboratoire SIMAP de Grenoble et au synchrotron SOLEIL (Gif-sur-Yvette).

En perspective, chaque tâche du projet sera développée avant d'être mis en relation pour développer un assemblage de batterie original. Dans ce contexte, une cellule électrochimique pour des assemblages « tout-solides » sera mise au point pour être compatible avec des mesures en tomographie aux rayons X (laboratoire et synchrotron) et aux Neutrons. Ces techniques non-invasives par nature et permettent de sonder les interfaces cachées au cœur des cellules électrochimiques et d’en étudier le comportement en cours de cyclage. Enfin, via ce développement instrumental, un banc d’essai dédié sera aussi mis en place et ouvert à la communauté scientifique dans le cadre de collaboration dans la thématique des matériaux pour l’énergie.

1. L. Magnier et al., Frontiers in Energy Research 9 (2021) 266. (DOI : 10.3389/fenrg.2021.657712, open access)

La production et le stockage de l’énergie sont des enjeux majeurs pour assurer la transition énergétique française. Des batteries de haute densité d’énergie, peu onéreuse à longue durée de vie doivent être développées pour permettre la percée en masse des énergies décarbonnées (éolien, solaire) et du transport électrifié. Depuis leur commercialisation en 1991, les batteries au Lithium (Li)-ion sont employées de manière prédominante dans les applications d’électronique portables et au sein des véhicules hybrides récents. Cependant pour l’ensemble de ces applications, cette technologie d’accumulateur n’est pas adéquate car la densité d’énergie devrait être augmentée au moins d’un facteur deux pour répondre au besoin du marché alors qu’elles sont limitées à ~ 250 Wh/kg du fait de leur maturité. De plus, la présence d’électrolyte liquide inflammable entraine un risque fort de sécurité (feux, explosions). Une solution est alors de remplacer l’électrolyte liquide par un électrolyte solide polymère sec. L’autre avantage en sus de la sécurité des électrolytes polymères résident dans leur stabilité chimique et électrochimique face au Li métal. Ce matériau est le candidat idéal pour être employé en tant qu’électrode négative du fait de sa très haute capacité spécifique (3860 mAh/g). A l’électrode positive une voie prometteuse est l’utilisation du soufre (S8) en tant que matériau actif. Sa capacité spécifique théorique élevée (1675 mAh/g) permet d’envisager des batteries Li-S8 dont la densité d’énergie pratique serait de l’ordre de 500 Wh/kg soit le double des accumulateurs au Li-ion. De nombreux verrous restent cependant à résoudre pour favoriser l’essor de cette technologie d’accumulateur comme la dissolution des polysulfures de lithium au sein de l’électrolyte en cours de cyclage (effet de la navette redox) qui impacte négativement la capacité délivrée et le rendement faradique, et aussi la prévention de la croissance de dendrites de Li à l’électrode négative entrainant des risques de court-circuit. Dans ce contexte le projet SHUTTLE propose de mettre au point un système viable d’accumulateur tout solide au lithium-soufre comportant un électrolyte polymère fonctionnalisé. L’objectif est de développer un système complet basé sur une nouvelle génération d'accumulateur au soufre permettant une augmentation significative de la densité d’énergie et de la cyclabilité. Un des axes originaux du projet correspond à l’étude des modes de fonctionnement et de défaillance par des analyses operando de batteries complètes afin d’optimiser à la fois la texture des électrodes positives et les propriétés de l'électrolyte polymère et aussi de comprendre finement les processus de croissance dendritique à l’électrode négative. A titre de perspective, ce projet propose de développer un banc d’essai d’analyse microstructurale et topologique par tomographie aux rayons X et aux neutrons adapté aux systèmes de stockage électrochimique de l’énergie.