Développement d’oxydes lamellaires riches en Li pour electrodes à haute capacité – DeLi-RedOx

Notre planète est confrontée à des défis importants en matière d'énergie qui font nécessairement appel à une recherche rigoureuse et pertinente. Les batteries sont devenues indispensables dans la lutte contre le réchauffement climatique et la sécurité énergétique. Les batteries Li-ion rechargeables, en ayant la densité d'énergie la plus élevée, ont conquis le domaine de l'électronique portable et sont considérées aujourd'hui comme la technologie de choix pour alimenter les véhicules électriques de demain. Pour que de telles applications se concrétisent, de nouvelles avancées majeures en termes de performances / sécurité / coûts sont nécessaires. Ainsi, de nouveaux matériaux doivent être explorés sur les bases de nouveaux concepts redox, afin d'assurer un bond en avant dans la performance, c’est ce à quoi s’attache DeLi-Redox.

La technologie Li-ion actuelle repose sur l’utilisation d’électrodes positives fonctionnant sur un processus d'oxydo-réduction impliquant des espèces cationiques. Ceci n'est plus tout à fait vrai depuis que nous avons démontré, par un jeu habile de substitution chimique, une activité redox du réseau anionique associée à la formation réversible de groupements de type peroxo (2 O2- --> (O2)2-). Cette démonstration, qui a été postulée auparavant mais jamais prouvée expérimentalement, explique les capacités stupéfiantes (280 mAh/g) des phases lamellaires riches en lithium comme les Li(Li0.2NixMnyCoz)O2, connues sous le nom de Li-rich NMC. Cette augmentation de capacité se traduirait par une amélioration de 20 à 25 % dans l'actuelle autonomie de la batterie.

À la lumière de ces résultats brevetés, les objectifs de DeLi-Redox sont d'exploiter i) le nouveau concept associé à l'activité redox du réseau anionique qui fournit une myriade de possibilités grâce à l'utilisation de métaux 4d et ii) le scénario que nous avons proposé pour lutter contre la chute des capacités via des approches de substitution ou d’enrobage, relançant ainsi la recherche de formulations de matériaux appropriés sans perte de potentiel. Ceci offrirait des nouvelles classes d'électrodes à haute capacité basées sur des mécanismes d'oxydoréduction anionique et cationique. Un tel projet nécessite une combinaison de science fondamentale alliant le design chimique créatif et les approches de modélisation raisonnées, à un arsenal de caractérisations suivies du développement vers l’assemblage de cellules entières avec pré-transfert vers l’industrie.

Pour atteindre ces objectifs, nous avons réuni des partenaires du Collège de France (FRE3677-Chimie du Solide et Energie and Laboratoire de Chimie de la Matière Condensée de Paris LCMCP), de l’Institut de Recherche de Chimie Paris (IRCP), de l’ICG (Montpellier), de l’IPREM (Pau) et du LRCS (Amiens) qui ont l’expérience de travailler ensemble et possèdent des expertises complémentaires en synthèse, structure, modélisation, et électrochimie. Tous ces laboratoires sont liés au Réseau Français de Stockage Electrochimique et de l’Energie (RS2E), dont le but est d’assurer un continuum entre recherche fondamentale et développement via du prototypage - c’est-à-dire d’implémenter rapidement ces nouveaux matériaux d’électrode optimisés dans des batteries commerciales, le tout pour le bénéfice de nos industriels membres du RS2E.