Batteries rechargeables à ions aluminuim à haute densité d'énergie – une approche basée sur l‘ingénierie des défauts de structure et le contrôle des interfaces – ReAlCharge

Pour répondre à la demande croissante en stockage d'énergie, des solutions technologiques complémentaires voire supérieures aux batteries Li-ion traditionnelles doivent émerger rapidement. Les batteries à ions aluminium sont particulièrement intéressantes en raison de leur haute densité d'énergie volumique théorique, de leur faible coût et de leur sécurité élevée. De plus, étant le métal le plus abondant sur la croûte terrestre, l'aluminium répond également à l'exigence de durabilité permettant de développer des technologies durables. Une caractéristique critique de la chimie d'intercalation Al3+ est la densité de charge élevée de ce cation qui affecte les propriétés de l'électrolyte (processus de solvatation-désolvatation) et la capacité des structures hôtes à accueillir de manière réversible une grande proportion d'Al3+ générant ainsi une énergie élevée.
Dans ce projet franco-allemand, nous étudierons les aspects fondamentaux ainsi que les défis plus appliqués liés aux problématiques des processus interfaciaux et de la chimie des matériaux pertinents pour obtenir des batteries aluminium à haute densité d'énergie. Pour cela, nous proposons de travailler simultanément sur plusieurs composantes telles que les électrolytes, les matériaux d'électrodes et les interfaces électrode-électrolyte. Les travaux se concentreront sur les matériaux d'électrodes à base d'oxyde avec des quantités contrôlées de lacunes cationiques dont nous avons démontré, dans nos travaux antérieurs, qu’elles favorisaient la diffusion des ions Al3+ tout en fournissant des sites d'insertion supplémentaires. Parallèlement, les propriétés physico-chimiques (conductivité, spéciation, etc.) des électrolytes sélectionnés et leur interface avec l'aluminium et le matériau d'électrode positive seront caractérisées en utilisant un large éventail de techniques in situ et ex situ, telles que l'absorption des rayons X, la résonance magnétique nucléaire, la microscopie électronique à transmission, la diffraction des rayons X et la fonction de distribution des paires.
Plus spécifiquement, en exploitant une approche d'ingénierie des défauts, le groupe français (Responsable: Prof. Associé Damien Dambournet) concevra de nouveaux composés d'intercalation avec une forte concentration en lacunes cationiques. Par exemple, l'oxyde de fer à structure spinelle sera dopé avec des cations à hautes charges tels que le MoVI pour générer de grands teneurs en lacunes. Le groupe allemand (Responsable: Prof. Peter Strasser) étudiera la dynamique électrochimique de l'intercalation des ions Al3+ dans les nouveaux matériaux conçus par le groupe français. L'impact des propriétés électrolytiques sur l'électrochimie sera étudié ainsi que les interfaces électrodes-électrolyte.
Ce projet offre une forte valeur ajoutée entre deux institutions de recherche de premier plan et bénéficiera d'une collaboration germano-française solide et déjà éprouvée sur les matériaux d'oxyde défectueux pour les batteries multivalents. Les résultats du projet comprendront de nouvelles perspectives fondamentales et pratiques sur la chimie d'intercalation, les processus et la conception des batteries aluminium, apportant ainsi d'importantes contributions à une technologie de batteries plus verte, plus sûre et à plus haute densité d'énergie.