Appel Bilatéral Energie ANR-BMBF - ANR-BMBF

Batteries Lithium-Ion Organiques sans Métaux ni Liquides pour un Stockage d'Energie Durable et Sûr – MOLIBE

Batteries sures et durables sans métal et électrolyte liquide

Les batteries Li-ion sont considérées comme la technologie de stockage d’énergie. Toutefois, en dehors de la nécessité d’augmenter l’énergie et la puissance des batteries, deux principaux verrous existent : un prix élevé et de graves problèmes de sécurité. Tandis que le premier verrou est particulièrement lié à l’utilisation de métaux couteux comme le Co, le Ni ou encore le Cu,le second provient principalement de l’utilisation d’électrolytes liquides instables et facilement inflammables.

Batteries performantes sans liquides et metal

Enlèvement de métal : <br />Cet objectif concerne 3 approches complémentaires : (i) le développement de (macro-)molécules organiques faciles à synthétiser comme matériaux d'électrodes ; (ii) la mise en œuvre de collecteur de courant à base de carbone (CCC) sur mesure à diffèrent échelle ; et (iii) l'introduction de nouveaux cations in-/organiques pour remplacer le Li+ conventionnel. <br /> <br />Sécurité : <br />Cet objectif se concentre sur l'élimination des liquides dangereux (par exemple, les carbonates, le nitrile) commercialement utilisés comme solvants pour les électrolytes à base de Li avec un file mince de polymère à conduction unipolaire (SIPE) intrinsèquement plus sûr. Celui-ci sera basé sur des copolymères à haute conductivité ionique. <br /> <br />Compréhension des mécanismes : <br />Cet objectif très fondamental permettra de comprendre à la fois les mécanismes structuraux et électrochimiques se produisant lors de la décharge que la technologie dans son ensemble. <br /> <br />Durabilité : <br />C'est l'objectif central de MOLIBE. Pour garantir le succès de MOLIBE, la partie expérimentale sera accompagnée d’une analyse continue de cycle vie, permettant une sélection des matériaux pour optimiser les performances de la cellule.

Au travers de MOLIBE, les problématiques sont adressées en réalisant des batteries rechargeables tout-solide et sans métaux, employant des matériaux actifs organiques déposés directement sur des collecteurs de courant 3D en carbone (CCCs) et un électrolyte polymère à conduction d’ion unipolaire (SIPEs). Pour la réussite de ces taches complexes, MOLIBE bénéficiera pleinement des compétences et des forces totalement complémentaires des partenaires français et allemands dans la synthèse et la caractérisation d’électrodes organiques et d’électrolytes polymères, dans la fabrication et le test de cellules Li-ion et dans l’étude de leur durabilité. Le consortium de MOLIBE est composé de quatre organisations de recherche : LEPMI, CEA, CANOE en France et KIT en Allemagne et deux industriels BERNARD-DUMAS en France et DAIKIN en Allemane, qui sont complémentaire dans leur activité R&D et leurs compétences.

De nouveaux électrolytes polymères à conduction unipolaire ont été synthétisés avec des performances prometteuses
- Les caractérisations électrochimiques avec les électrodes organiques ont révélé des résultats très prometteurs concernant la stabilité en cyclage et la vitesse de cyclage, qui sont deux caractéristiques clés pour les batteries organiques comme alternative aux technologies de batteries courantes basées sur des matériaux actifs inorganiques.
- Il a été montré que la cellule à base de collecteur de carbone constitué de précurseurs biosourcés tels que la cellulose et les électrodes avec PTCLi4 comme matériau actif présentent une stabilité de cyclage et une capacité de débit supérieures par rapport aux électrodes à base d'aluminium ou de feuille de cuivre comme collecteur de courant.

Dans la deuxième partie, en se basant sur les résultats obtenus jusqu'à présent, tous les matériaux seront améliorés afin d'atteindre les objectifs pour les batteries du projet i.e. une énergie spécifique de 100 Wh kg-1, un cycle de vie d'au moins 500 cycles (avec une capacité de plus de 80 % de la capacité initiale). Nous visons aussi de remplacer Li+ en tant que porteur de charge par des cations non métalliques.
La partie expérimentale sera toujours accompagnée par l’analyse de cycle de vie réalisée par KIT qui nous permettra de sélectionner nos matériaux.
Une étude approfondie sur la compréhension des mécanismes de stockage et de transport des cations sera menée en utilisant différentes technique d’analyse structural, morphologique et transport ionique.

R. Chen, D. Bresser, M. Saraf, P. Gerlach, A. Balducci, S. Kunz, D. Schröder, S. Passerini, J. Chen – A comparative review of electrolytes for organic-material-based energy-storage devices employing solid electrodes and redox fluids, ChemSusChem 2020 (13) 2205-2219.
M. Erakca, M. Weil, D. Bresser, S. Pinto Bautista – Challenges and Pitfalls of Conducting Prospective LCA for Emerging Technologies: The Example of Metal-Free Organic Batteries, 15th Conference Society and Materials – EcoSD (virtual conference), 10.-11.05.2021

Les batteries Li-ion sont considérées comme la technologie de stockage d’énergie la plus prometteuse pour réussir l’électrification des besoins en mobilité de nos sociétés modernes. Toutefois, en dehors de la nécessité d’augmenter l’énergie et la puissance des batteries, deux principaux verrous existent : un prix élevé et de graves problèmes de sécurité. Tandis que le premier verrou est particulièrement lié à l’utilisation de métaux couteux comme le Co, le Ni ou encore le Cu, le second provient principalement de l’utilisation d’électrolytes liquides instables et facilement inflammables. Au travers de MOLIBE, ces deux problématiques sont adressées en réalisant des batteries rechargeables tout-solide et sans métaux, employant des matériaux actifs organiques déposés directement sur des collecteurs de courant 3D en carbone (CCCs) et un électrolyte polymère à conduction d’ion unipolaire (SIPEs). Pour la réussite de ces taches compliquées, MOLIBE bénéficiera pleinement des compétences et des forces totalement complémentaires des partenaires français et allemands dans la synthèse et la caractérisation d’électrodes organiques et d’électrolytes polymères, dans la fabrication et le test de cellules Li-ion et dans l’étude de leur durabilité. Le consortium de MOLIBE est composé de quatre organisations de recherche : LEPMI, CEA, CANOE en France et KIT en Allemagne et deux industriels BERNARD-DUMAS en France et DAIKIN en Allemane, qui sont complémentaire dans leur activité R&D et leurs compétences.

Coordinateur du projet

Madame Cristina Iojoiu (Laboratoire d'Electrochimie et Physico-chimie des Matériaux et Interfaces)

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

CEA Grenoble CEA Grenoble
CANOE ADERA
BERNARD DUMAS BERNARD DUMAS
LEPMI Laboratoire d'Electrochimie et Physico-chimie des Matériaux et Interfaces

Aide de l'ANR 496 305 euros
Début et durée du projet scientifique : septembre 2019 - 36 Mois

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