Matériaux Nanostructurés pour Batteries Sodium Tout Solide – Na-MASTER
Matériaux Nanostructurés pour Batteries Sodium Tout Solide
L'objectif principal de ce projet est de développer, par l'effet synergique des expériences et de la théorie, une batterie au sodium entièrement à l'état solide (Na-ASSB) avec des performances supérieures afin d'apporter de nouvelles solutions de systèmes pour le stockage électrochimique de l'énergie (moins coûteux, plus sûrs, ..)
Développer les matériaux d'une batterie sodium-ion tout solide
La limitation du réchauffement climatique nécessite des découvertes majeures dans les technologies de stockage de l'énergie, conduisant à des batteries rechargeables. Les techniques avancées de synthèse et de caractérisation, en synergie avec la modélisation, ont permis la découverte de matériaux. Nous souhaitons découvrir des matériaux et des nanocomposites pour des batteries sodium-ion durables et peu coûteuses. Nous utiliserons le calcul et les expériences pour développer un superconducteur ionique, le NASICON NazZr2-yMySi3-xPxO12, électrolyte solide pour des batteries sûres à l'état solide (ASSB). En optimisant la composition et la nanostructure des NASICONs, nous réduirons les températures de fonctionnement des ASSB existantes de 200°C à la température ambiante. <br /><br />Le remplacement des électrolytes liquides actuellement utilisés par des électrolytes solides ininflammables est un moyen important de créer des batteries plus sûres. Dans ce contexte, les batteries sodium-ion (Na) sont des dispositifs prometteurs pour les réseaux intelligents et les véhicules électriques en raison de leur rentabilité due à l'abondance globale de Na et à sa répartition géographique uniforme. Entre autres facteurs, la densité énergétique des batteries Na-ion est limitée par la chimie de l'électrode positive. Le conducteur superionique de natrium (NaSiCON) Na1+xZr2SixP3-xO12 (0 = x = 3), qui présente un transport d'ions élevé et une bonne stabilité par rapport à d'autres électrodes NaSiCON, est un bon électrolyte solide pour les batteries basées sur le NaSiCON. Malgré la part importante de la recherche sur Na1+xZr2SixP3-xO12, les propriétés structurales et thermodynamiques des électrolytes NaSiCON et de ses analogues d'électrodes nécessitent une meilleure compréhension pour une synthèse et une optimisation plus efficaces, qui suivent souvent l'intuition chimique.
Nous utiliserons une approche synergique possible en réunissant l'expertise des PI de Amiens et Singapour. NUS Singapour : théorie de la fonctionnelle de la densité à haut débit ; possibilités de criblage du transport des ions, RMN à l'état solide. LRCS Amiens : synthèse, cristallographie et électrochimie ; spectroscopie d'impédance et fabrication d'ASSB.
Dans la première phase de cette recherche ANR-NRF, nous avons analysé les propriétés thermodynamiques de l'électrolyte NaSiCON en construisant son diagramme de phase, à l'aide de simulations de premier principe. Plus précisément, nous avons construit le diagramme de phase en fonction de la température et de la composition pour Na1+xZr2SixP3-xO12, que nous avons ensuite étendu à plusieurs matériaux d'électrodes positives. Nous avons construit des modèles pour accélérer la découverte de conducteurs d'ions rapides, en particulier les matériaux NaSICON. Nous avons développé des stratégies de dopage améliorées pour maximiser le transport de l'ion sodium dans ces matériaux. Nous avons synthétisé de nouveaux matériaux NaSICON sans impuretés. Nous avons utilisé ces matériaux pour fabriquer des batteries à l'état solide.
Several perspectives arise from this project
* Develop protocols for the fabrication of NaSICON-based electrodes and electrolytes. Some of this work is currently in progress. For example, AC impedance measurements were performed in France and Singapore which enabled us to put standardize the preparation of NaSICON sample as well as their measurements.
* Develop holistic models for the design of the next generation of electrodes and electrolytes.
* Develop inexpensive, safe and resilient all-NaSICON solid state batteries. Do note that we have made significant progress in the design of NaSICON electrodes, to pair with the NASICON electrolytes
6) Zirconia-free NaSICON Solid Electrolyte Materials
for Sodium All-solid-state Batteries, A. Kang Tieu, E. Mahayoni, Y. Li, Z. Deng, F. Fauth, J. N. Chotard, V. Seznec, S. Adams, C. Masquelier, P. Canepa, under (minor) revision in J. Mater. Chem. A (2023)
5) Fundamental investigations on the sodium-ion transport properties of mixed polyanion solid-state battery electrolytes, Z. Deng, T. P. Mishra, E. Mahayoni, J.N. Chotard, V. Seznec, A. K. Cheetham, C. Masquelier, G. S. Gautam & P. Canepa
Nature Communications, 13, 4470 (2022)
4) Phase Stability and Sodium-Vacancy Orderings in a NaSICON Electrode, Z. Wang, S. Park, Z. Deng, F. Fauth, D. Carlier, L. Croguennec, C. Masquelier, J. N. Chotard, P. Canepa,
J. Mater. Chem. A., 10, 209-217 (2022) ; DOI : 10.1039/D1TA09249A
3) Crystal Structure of Na2V2(PO4)3, an intriguing phase spotted in the Na3V2(PO4)3 – NaV2(PO4)3 system System, S. Park, Z. Wang, Z. Deng, I. Moog, P. Canepa, F. Fauth, D. Carlier, L. Croguennec, C. Masquelier & J. N. Chotard, Chem. Mater., 34(1), 451-462 (2022) ; DOI : 0.1021/acs.chemmater.1c04033
2) A Chemical Map of NaSiCON Electrode Materials for Sodium-ion Batteries ; B. Singh, Z. Wang, S. Park, G. Sai Gautam, J.N. Chotard, L. Croguennec, D. Carlier, A. K. Cheetham, C. Masquelier & P. Canepa ; J. Mater. Chem. A, 9(1), 281-292 (2021) ; DOI : 10.1039/d0ta10688g
1) Phase Behavior in NaSiCON Electrolytes and Electrodes
Z. Deng, G. Sai Gautam, S. Krishna Kolli, J. N. Chotard, A. K. Cheetham, C. Masquelier & P. Canepa ; Chem. Mater., 32, 7908-7920 (2020) ; DOI: 10.1021/acs.chemmater.0c02695
Limiter le réchauffement climatique nécessite des découvertes majeures en technologies de batteries rechargeables. Les techniques avancées de synthèse/caractérisation de matériaux couplées avec la modélisation ont permis l'optimisation de matériaux aux propriétés ciblées. Nous visons la découverte de nanomatériaux et nanocomposites pour batteries au Na tout solide à longue durée de vie, sûres, peu onéreuses.
La modélisation permettra la découverte de nouveaux électrolytes solides NASICON NazZr2-yMySixP3-xO12. L’optimisation des nano-structures et composites électrolyte/électrode permettra de diminuer les T de fonctionnement des batteries tout solide céramique, de 200°C vers T ambiante.
Cette approche est réalisable grâce à la forte complémentarité des équipes :
NUS: DFT à haut débit, potentiels chimiques pour transport ionique, RMN du solide.
LRCS: synthèse, cristallographie, électrochimie, spectroscopie d'impédance, fabrication de batteries tout solide.
Coordinateur du projet
Monsieur Christian Masquelier (Laboratoire de Réactivité et Chimie des solides)
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
LRCS Laboratoire de Réactivité et Chimie des solides
NUS The National University of Singapore
Aide de l'ANR 299 330 euros
Début et durée du projet scientifique :
mars 2020
- 36 Mois
