Le frittage Flash Electrochimique, un nouvel outil pour obtenir des batteries tous-solides en quelques secondes – FLASHBAT

Aujourd'hui dans le monde, un effort considérable est consacré au développement de batteries tout solide inorganiques (BTSI) qui offrent une sécurité et une densité énergétique supérieures à celles des batteries Li-ion classiques. La fabrication d'une BTSI correspond à l'assemblage de multi-matériaux par co-frittage qui doit tenir compte de plusieurs verrous techniques et scientifiques : matériaux compatibles en termes de "fenêtres de frittage" (compatibilité chimique, température de frittage et coefficient de dilatation thermique) ; interfaces cohésives et intimes entre les matériaux pour assurer une bonne tenue mécanique et obtenir une faible impédance pour le transfert de charge interfacial ; une batterie autosupportée à haute capacité surfacique. Dans ce contexte, notre objectif principal est de démontrer la faisabilité de l'assemblage d'un prototype fonctionnel de BTSI Li-ion grâce à une nouvelle méthode de frittage ultra-rapide nommée (Electrochemical) Flash Sintering (EFS) qui permet une densification complète de la préforme en quelques secondes. Cela ouvrirait de nouvelles voies pour le développement de BTSI sûre et à haute densité d'énergie.

Le frittage Flash apporte une perspective différente dans la sélection des matériaux pour le frittage d'un multicouche. En effet, le premier critère du frittage flash est le comportement électrique, en particulier la conductivité de chaque matériau, qui détermine les conditions de frittage. Ce raisonnement est essentiel pour l'optimisation des procédés de fabrication des BTSI dans lesquels plusieurs couches de céramique sont assemblées. Ce projet propose le développement d'un procédé prometteur grâce à une approche fondamentale couplant la présélection et la synthèse des matériaux, la compréhension des mécanismes électrochimiques et physico-chimiques régissant le chauffage, la formation d'interfaces et la densification. Avant d'obtenir un prototype opérationnel de BTSI Li-ion qui fonctionne de manière réversible pendant 100 cycles à température ambiante avec une capacité surfacique d'au moins 5 mAhcm-2, plusieurs défis doivent être relevés. Ils concernent : 1/ le choix des matériaux ; 2/ l'optimisation des paramètres du procédé EFS ainsi que la formulation des électrodes composites et les paramètres géométriques des BTSI ; 3/ la réversibilité des interfaces électroactives ainsi que leur intégrité mécanique au cours des cycles. Pour résoudre ces problèmes, nous avons prévu 4 taches correspondant aux différentes compétences des partenaires :

- WP1 : Synthèse et caractérisation des matériaux. Différents types de matériaux actifs et d'électrolytes avec comme premier critère de choix la stabilité thermique et la compatibilité des structures seront synthétisés par le CRISMAT.

- WP 2 Electrochemical Flash sintering. Ce WP central sera dédié à la fabrication de BTSI en une seule étape par EFS, grâce au contrôle du phénomène de flash (emballement thermique) et l’exploration des relations entre température initiale, microstructure, conductivité et production de chaleur par effet Joule en s'appuyant sur la grande expertise de deux partenaires LEPMI et SIMAP sur cette technique.

- WP3 : Modélisation de la densification le long de l'EFS. La modélisation du chauffage et du frittage sous courant électrique sera réalisée au SIMAP en utilisant le code éléments finis COMSOL. Cela permettra d'optimiser la formulation des électrodes, les paramètres géométriques de l'AASB et les paramètres du procédé.

- WP4 : Caractérisations électrochimiques avancées. Une nouvelle méthodologie sera développée pour analyser les processus de transfert de charge au travers du compact au cours du flash. Le comportement électrochimique et les performances des BTSI produites dans le WP2 seront caractérisés grâce aux installations du LEPMI.