Synthèse et contrôle des interactions dans de nouveaux nanocomposites inorganique fluoré oxyde-carbone pour la conception de matériaux d'électrodes – INFINE

L'efficacité des dispositifs de stockage d'énergie électrochimique (EESD), comme les batteries et les supercondensateurs, dépend des propriétés des matériaux des électrodes. Il est nécessaire de développer des stratégies de synthèse permettant un contrôle sur des propriétés de matériau telles que la conductivité, la surface spécifique, la composition chimique de la surface, la stabilité électrochimique, la capacité de charge et l'intégrité structurelle lors du stockage de charge.
Le projet INFINE combine l'expertise de 4 équipes de recherche dans la synthèse de différents matériaux inorganiques avec un focus sur leur application en tant qu'électrodes de EESD. L'objet central du projet est le F-TMO/C: les matériaux composites à base d'oxydes de métaux de transition (TMO) de Mn et Fe combinés avec du carbone, et soumis à une fluoration surfacique pour améliorer l’interface électrode/électrolyte des EESD. Nous appliquerons différentes stratégies de synthèse permettant la préparation de matériaux à fortes performances électrochimiques, le contrôle de leurs propriétés, et favorables du point de vue du développement durable et de la processabilité à grande échelle. Le but ultime du projet est d'établir une corrélation entre les conditions de synthèse des matériaux, leurs caractéristiques structurales et texturales en particulier aux interfaces TMO/C et F-TMO/C et leurs performances électrochimiques en EESD.
Pour la préparation des matériaux carbonés du composite, nous utiliserons des aérogels de carbone (CA) et le graphène à quelques couches (FLG). Les équipes de recherche impliqués dans le projet ont développé des méthodes de synthèse simples à upscaler et garantissant une conductivité et stabilité élevées de même qu’une surface spécifique, une porosité et une composition chimique de surface optimisées. Le FLG sera préparé par voie sonochimique à partir de graphite relativement peu couteux et abondant. Les CA préparés par voie sol-gel permettront d’atteindre une large gamme de texture et de composition qui impactera l’interface.
Ils serviront de réseaux hote aux oxydes TMO. Ces derniers one une densité d'énergie élevée; cependant, un contrôle exact de leur nanostructuration et de eur cristallinité est nécessaire. Nous nous concentrons sur la préparation de nanoparticules cristallisées (10-20 nm) d'oxydes de Fe et Mn: du fait de leur abondance, et de leur modularité en nombre d'oxydation. Les oxydes de Mn sont connus pour avoir une densité de stockage d'énergie élevée; les oxydes de Fe ont une densité d'énergie plus faible, mais, en génréral, des performances électrochimiques très stables. Les oxydes spineles binaires ainsi que le spinelle substitué seront préparés.
Deux méthodes principales de synthèse des composites TMO/C, permettant un contrôle fin sur la géométrie, la composition et la cristallinité des nanoparticules TMO seront employées : la combustion à l'état solide et les méthodes hydrothermales aux polyols. Ces méthodes sont utilisées pour la synthèse de matériaux TMO ; leur application pour les composites TMO/C a été explorée mais pas encore entièrement étudiée.
Enfin, les composites TMO/C seront modifiés par fluoration en phase gazeuse. Il a été démontré que cette approche améliore la conductivité et la stabilité électrochimique des matériaux TMO, augmentant ainsi leurs performances électrochimiques. L'étude détaillée des propriétés électrochimiques des TMO/C avant et après fluoration permettra de comprendre le mécanisme de fluoration et son effet sur les performances électrochimiques des matériaux.
Le consortium implique les spécialistes des différentes approches de synthèse des matériaux inorganiques. La combinaison des expertises des partenaires de ce projet permettra d'approfondir la compréhension des liens entre les propriétés des matériaux, leurs interfaces et leurs performances électrochimiques, et aboutira à de nouveaux types de matériaux d'électrodes.