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Electrolytes copolymères single-ion pour batteries lithium

Défi technologique : Stockage électrochimique d'énergie dont les batteries pour la transition énergétique (en savoir +)

Département : Département de l'Electricité et de l'Hydrogène pour les Transports (LITEN)

Laboratoire : Laboratoire Matériaux

Date de début : 01-10-2022

Localisation : Grenoble

Code CEA : SL-DRT-22-0826

Contact : laurent.bernard3@cea.fr

Dans le cadre de l'augmentation de la demande en électrification, particulièrement pour les transports, il est nécessaire de développer des batteries embarquant une densité d'énergie supérieure, tout en assurant une sécurité en fonctionnement. Les batteries tout-solide (GEN4) permettrait d'atteindre ces deux objectifs. Parmi les électrolytes solides organiques (polymères) ayant à la fois une conductivité adéquate à 60°C et une stabilité électrochimique suffisante pour utiliser les matériaux lamellaires (NMC) à haute teneur en Ni ou les phosphates à haut potentiels (LFMP), nous étudions depuis quelques années les électrolytes basés sur le poly(triméthylène carbonate), dont nous maitrisons la synthèse par ouverture de cycle, jusqu'à l'échelle du kg. Ce polymère présente une bonne stabilité en cyclage avec de la NMC à 60°C et 80°C, avec une capacité restituée proche de la théorie. Néanmoins, les électrolytes à base de PTMC souffrent de deux problèmes principaux, probablement liés : les propriétés mécaniques de l'électrolyte sont très faibles et ne permet pas de l'utiliser en tant que séparateur physique et facilite probablement la croissance dendritique sur le Li-métal. Nous avons étudié dans le cadre d'un programme industriel, que la réticulation permet d'améliorer considérablement les propriétés mécaniques de l'électrolyte, mais au détriment des propriétés électrochimiques. Dans le cadre de cette thèse, nous allons développer une approche dite « single-ion » (greffage de l'anion sur la chaine polymère), qui nous conduira à améliorer les propriétés mécaniques du polymère en ajoutant des interactions ioniques tout en ayant une augmentation du nombre de transport du Li+ à 1, qui théoriquement permet de s'opposer à la croissance dendritique. Si les propriétés mécaniques ne sont pas suffisantes, une approche copolymères (peigne, bloc ou statistique) avec un second segment polymère structurel sera développée. Les principales compétences qui seront développées au cours de la thèse sont la chimie des polymères, la caractérisation physico-chimique des polymères et des électrolytes (SEC, RMN, FTIR, rhéologie, analyses mécaniques ?), la caractérisation électrochimique (CV/GITT, EIS, cyclage symétrique, tLi+), afin d'arriver en fin de troisième année à un prototype fonctionnel représentatif de GEN4b (Li ou anode-less).

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