Operando investigation of chemo-mechanical degradation in sulfide-based solid electrolyte – OpInSolid

Les batteries dites tout solide avec électrolyte soufré sont les plus prometteuses en termes de sécurité et de densité énergétique surtout si elles reposent sur le couple redox Li métallique/cathode haut potentiel. Malheureusement, leur fenêtre de stabilité électrochimique est loin d’être idéale, étant même extrêmement restreinte (moins de 1V). Ceci conduit à des dégradations chimiques sévères de l’électrolyte solide pendant les processus de réduction/oxydation, indiquant que l’électrolyte solide est bien plus actif qu’il n’y parait dans la batterie. Les dégradations chimiques générées pendant les processus d’oxydation et de réduction augmentent considérablement la résistance de la batterie et conduisent généralement à des changements structuraux et chimiques, les deux empêchant le cyclage sur le long-terme des batteries tout-solide.
De plus, des questions émergent sur la stabilité mécanique des batteries tout solide, car pendant le cyclage, les électrodes « respirent » ce qui entraine des changements volumiques localisés et donc un stress i) dans l’électrode composite, ii) aux interfaces (physiques) et iii) dans l’électrolyte (séparateur). La propagation de ce stress va très vite se traduire en fissures à tous les niveaux précédemment cités, impactant ainsi les mécanismes de transport ionique. Selon la littérature, ces mécanismes de dégradations chimiques/mécaniques semblent inévitable. Cependant, cette même littérature se base exclusivement sur la caractérisation des cellules tout solide dites complètes ou semi-complètes et non sur l’électrolyte solide seul, et plus particulièrement sur sa mise en forme qui pourrait être la seule responsable de tous les problèmes précédemment cités. Par exemple, une densification de mauvaise qualité va promouvoir les dégradations chimiques et mécaniques, notamment la propagation de fissures, par conséquence, une analyse très fine de la densification avant même de penser à une application électrochimique pourrait résoudre la plupart des problèmes.
Nous proposons une approche multi-échelles basée sur des techniques operando pour suivre la densification de l’électrolyte solide, et en particulier pour établir la relation qui existe entre les propriétés structurales/chimiques/morphologiques/électrochimiques en fonction de la température et de la pression. Ainsi, la diffraction neutronique va être utilisée pour suivre l’évolution de la structure pendant le processus de densification alors que la tomographie des rayons X et les techniques de microscopie vont être employées pour déterminer l’évolution de la porosité locale en fonction de la pression/température. La diffusion quasi-élastique des neutrons sera quant à elle utilisée pour fournir des informations sur les phénomènes de transport ioniques, alors que les dégradations chimiques seront suivies par la spectroscopie d’absorption X, etc.
Une fois que le processus de densification sera élucidé, l’électrolyte entièrement optimisé sera transféré en configuration (demi-cellule) et une approche similaire de caractérisations operando sera à nouveau appliquée. La technique d’imagerie neutronique sera utilisée pour suivre l’évolution des transports ioniques en fonction du cyclage. Les résultats combinés des analyses morphologiques/structurales/chimiques nous aiderons à développer des stratégies telles que les méthodes de coating, de protection du lithium pour améliorer les propriétés électrochimiques. Une fois encore, lorsque ce but sera atteint, nous continuerons à complexifier le système pour aller vers des cellules dites complètes (anode vs. cathode).
Les résultats obtenus tout au long de ce projet OpInSolid mettra en lumière, un élément souvent négligé, l’électrolyte solide. En fonction des résultats obtenus, des solutions seront mises en place pour éviter/réduire les processus de décomposition de type chimique/mécanique.