Démystifier les interfaces électrodes/électrolytes par la détection piézoélectrique operando – DEEP-SENS

La durabilité et la fiabilité des batteries sont principalement contrôlées par l’interface électrode-électrolyte (EEI), qui est le siège de processus cruciaux. L’évolution de cette interface est un défi supplémentaire et un sujet en plein essor dans la communauté des batteries. DEEP-SENS relève le défi et vise une description complète de cette interface complexe en utilisant des capteurs piézoélectriques de type QCM couplés à l’électrochimie aussi nommés ac-électrogravimétrie.
Grâce à cet outil unique et puissant, DEEP-SENS se concentrera sur l'étude de la technologie très prometteuse des batteries Na-ion (NIB) et de son interface, actuellement la plus proche de la maturation parmi les différentes options "au-delà des batteries Li-ion". Cela permettra de caractériser des processus clés, tels que la formation de l'interface SEI (ou interface cathode/électrolyte (CEI)), la stabilité des électrodes et les caractéristiques de l'intercalation des ions y compris la (dé)solvatation des ions. Plus important encore, notre projet de recherche se concentrera sur ce qui est incontestablement l'un des sujets fondamentaux en pleine expansion, à savoir l'établissement de la structure de l'interface électrode-électrolyte. Il s'agit de situer les cations partiellement solvatés adsorbés dans la double couche électrochimique et d'évaluer/comprendre en détail l'impact de la structure de l'interface sur la vitesse de charge et la cyclabilité à long terme des NIBs. Nous nous concentrerons particulièrement sur le couple d'électrodes positives/négatives Na3V2(PO4)2F3 (NVPF)/ « Hard carbon » (HC), actuellement développé par la société française de batteries TIAMAT.

Afin d'obtenir une image complète de la cohabitation des ions et des molécules de solvant au sein de la double couche électrique (EDL), nous sonderons différentes profondeurs de pénétration de l'onde acoustique générée par le résonateur à quartz, ce qui permettra des analyses de résolution spatiale de l'interface, afin de saisir l'ensemble des différents mécanismes : depuis l'ion de métal alcalin solvaté dans le "bulk" de l'électrolyte jusqu'à son insertion dans le matériau hôte. Pour ce faire, le consortium DEEP-SENS, qui réunit des équipes complémentaires et talentueuses, développera une nouvelle génération d'ac-électrogravimétrie, travaillant avec des capteurs piézoélectriques à différentes fréquences de résonance et sous différentes fréquences de modulation électrochimique, rendant la technique non seulement temporellement mais aussi spatialement résolue. C'est ce que nous appelons "ac-électrogravimétrie à haute résolution".
Dans le cadre du projet DEEP-SENS, ces paramètres de résolution spatiale et temporelle seront mis en œuvre dans les études poussées sur les batteries afin d'apporter des éléments cruciaux sur les processus d'interface dans le but d'atteindre un bon stade de maturation des NIB. Les résultats des analyses des demi-cellules seront corroborés avec ceux de la configuration cellules complètes NIB avec des capteurs QCM intégrés, afin de prendre en compte les processus de « navettes redox ». La plateforme d'analyse proposée, qui sera construite dans le cadre de DEEP-SENS, servira à concevoir une meilleure interface électrode-électrolyte (SEI et CEI) et à obtenir des performances énergétiques plus élevées, une meilleure stabilité et une durée de vie plus longue des NIB, afin de réduire l'écart par rapport à la technologie Li-ion. Sur le plan technique, l'objectif final est de parvenir à un dispositif de " haute résolution en ac-electrogravimétrie " à la fin du projet. Ce sera une nouvelle instrumentation entièrement développée en France et qui sera proposée au domaine de l'électrochimie dans le monde entier.