DS0201 -

Batteries Li-Ion à haute densité d’énergie à base de nanoparticules cœur@coquille silicium carbone – Helios

Résumé de soumission

Le projet Hélios rassemble 2 partenaires publics (le CEA et l’ICMMO – Université Paris Saclay) et une TPE innovante (Nanomakers). Deux laboratoires du CEA Le NIMBe et le LITEN localisés respectivement à Saclay et Grenoble sont impliqués dans ce projet. Le projet vise à développer une batterie Li-Ion de haute capacité utilisant un silicium nanostructuré comme matériau d’anode en vue d’une application nomade avec un double objectif stratégique : durée de vie supérieure à 500 cycles et densité d’énergie de 300Wh/kg soit une capacité spécifique du matériau actif de1000 mAhg-1 (près de 3 fois plus élevée que les batteries graphite actuellement commercialisées). Malgré une activité scientifique en hausse depuis plus de 10 ans, l’utilisation du silicium n’a pas encore débouché car les performances de ces dispositifs se dégradent rapidement. La solution innovante proposée ici consiste à utiliser à l’anode des nanoparticules Si@C synthétisées en une seule étape par une méthode en continu particulièrement intéressante pour une production industrielle. Ces nanoparticules présentent des performances électrochimiques très intéressantes avec un cyclage stable sur plusieurs centaines de cycles et une efficacité coulombique remarquable, de l’ordre de 99,9%, en pile bouton face à du lithium métal. Ces performances sont obtenues grâce au cœur de Si qui donne la capacité élevée et à la coquille de carbone qui permet de stabiliser l’interface solide/électrolyte (SEI) sur plusieurs centaines de cycles. Les verrous qui restent à lever pour une preuve de concept en prototype Li-ion haute densité d’énergie sont : une perte de Li encore trop importante aux premiers cycles et une meilleure maitrise de l’interface liquide/solide (SEI) qui se développe au cours du cyclage. L’étude s’attachera d’une part à diminuer cette surface réactive en agrégeant les particules avec du graphite et du carbone amorphe, et d’autre part à comprendre notamment par spectroscopie d’impédance (EIS), l’évolution de la stabilité de la SEI et de la morphologie du matériau actif et de l’électrode. Pour ce faire différents types de nanoparticules revêtues de carbone seront préparées (cristallinité et taille du cœur, épaisseur et structure du carbone…) puis une comparaison de procédés sera réalisée pour l’étape d’agglomération qui comprend une dispersion des nanoparticules dans un précurseur organique de carbone en présence de graphite puis une pyrolyse. Les performances électrochimiques de ces matériaux seront évaluées dans des électrodes adaptées aux caractéristiques des matériaux avec différents électrolytes afin de relier la morphologie et la structure des composites aux mécanismes de dégradation et finalement obtenir une preuve de concept à l’échelle pré-industrielle en applications nomade (téléphonie par exemple..). Cette démonstration permettra d’intéresser des industriels du secteur, d’offrir un marché à la TPE Nanomakers qui sera à même de fournir ces matériaux actifs et de développer in fine les emplois associés en France (une cinquantaine chez Nanomakers à l’horizon 2020)

Coordinateur du projet

Madame Nathalie Herlin Boime (Commissariat à l'Energie Atomique et aux Energie Alternatives)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

NANOMAKERS NANOMAKERS
ICMMO Institut de Chimie Moléculaire et des Matériaux d'Orsay
CEA Commissariat à l'Energie Atomique et aux Energie Alternatives

Aide de l'ANR 456 720 euros
Début et durée du projet scientifique : septembre 2016 - 36 Mois

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