Mécanismes Electrochimiques dans les accumulateurs Alcalin-ion par Analyse Vibrationnelle – VASELinA

Pour la réalisation de ce projet, des calculs de chimie quantique (DFT) ont été utilisés couplées à des outils d’analyse de liaison chimique. Plusieurs modèles pertinents ont été construits pour discriminer tous les phénomènes/évènements observés et proposé les intermédiaires réactionnels les plus probables.

Avec la modélisation et l’assignement des signatures Raman des différentes entités et environnements autour des oxygènes et métaux: (O2)n-, MO4, MO6, … , la compétition entre les redox anionique et cationique, dégazage et phénomènes de migration des métaux peut être rapidement détectés et surtout rationalisée sans requérir à de technique expérimentale sophistiquées, longue et surtout coûteuse.
Ce projet a été ponctué par une étude d’envergure impliquant plusieurs laboratoires en France. L'objectif est de mieux appréhender le fonctionnement en temps réel d'une batterie Li-ion afin d’améliorer ses performances à travers l'étude des mécanismes de dégradation. À cet effet, une fibre optique a été incorporée dans ce dispositif électrochimique afin de mesurer les signatures vibrationnelles de ce dispositif en fonctionnement et de les corréler à la nature des espèces formées.

Cette méthodologie d’analyse basée sur la modélisation des spectres Raman, en particulier leurs intensités, est en cours d’extrapolation à d’autres matériaux pour électrodes positives ou encore négatives.

C. Gervillie-Mouravieff, C. Boussard-Pledel, J. Huang, C. Leau, L. A. Blanquer, M. Ben Yahia, M.-L. Doublet, S. T. Boles, X. H. Zhang, J.-L. Adam and J.-M. Tarascon
Unlocking cell chemistry evolution with operando fibre optic infrared spectroscopy in commercial Na(Li)-ion batteries , Nat. Energy 7, pages 1157–1169 (2022)

VASELinA développe une méthodologie de caractérisation rapide et efficace pour la compréhension des mécanismes redox ayant lieu au sein des matériaux d’électrodes positives dans les batteries Li-ion. La stratégie est d’exploiter les informations issues de la spectroscopie Raman in situ, en particulier, les intensités, gouvernées par la polarisabilité, sont étroitement liées à la variation de la nature des liaisons chimiques en cours de l’insertion/désinsertion du Li dans/depuis la structure hôte. La stratégie sera de mettre au point des descripteurs pertinents issus des propriétés électroniques et mécaniques des matériaux pour électrodes, afin de rationaliser les intensités Raman et les corréler aux variations structurales qui ont lieu en cours de charge/décharge. Avec ce nouveau développement, une rationalisation complète des processus électrochimiques sera possible via un contrôle quantitatif de produits de réaction. Cette méthodologie innovante sera appliquée aux matériaux de type Li-rich en vogue et qui sont prévus pour remplacer les électrodes actuelles en raison de leur activité électrochimique originale combinant à la fois une redox cationique et anionique. Cependant, les mécanismes mis en jeux sont encore mal compris et la plupart de ces matériaux enregistrent une perte de potentiel et de capacité en raison d’instabilités structurales dues notamment au dégazage de O2 et aux migrations cationiques.
Étant donné les enjeux industriels mondiaux, ces matériaux sont au cœur d’une bataille acharnée menée par différentes équipes de recherche.
Cette proposition permettra de trouver le ratio Li/métal à ne pas dépasser pour contrer les instabilités structurales dans ces composés et trouver la combinaison de métaux de transition gagnante pour avoir des performances électrochimiques optimales.
Un autre but plus fondamental à ce projet est d'établir une base de données Raman à l’instar de spectroscopie Infrarouge et la rendre disponible pour la communauté scientifique pour pouvoir faciliter l'interprétation de données expérimentales.