Liquides ioniques gélifiés pour les batteries lithium-ion

Gelled ionic liquids for lithium-ion batteries

• Auteur / Autrice : Dane Sotta
• Direction : Michel Armand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences. Chimie. Sciences des matériaux
• Date : Soutenance en 2011
• Etablissement(s) : Amiens

Mots clés

Mots clés contrôlés

Conduction ionique

Polyélectrolytes

Accumulateurs au lithium-polymère

Résumé

Les systèmes de stockage de l'énergie électrique au lithium sont prometteurs pour les applications ''transport'' (véhicules électrifiés). Dans ces batteries, la nature de l'électrolyte conditionne la gamme de température de fonctionnement et la sûreté du système. Ce travail de recherche s'inscrit dans ce contexte et porte sur l'étude de nouveaux électrolytes gélifiés pour batteries Li-ion. La première phase de ce travail a été consacrée à la formulation et caractérisation d'électrolytes gélifiés constitués d'un réseau polymère de type époxy-amine, d'un liquide ionique et d'un sel de lithium. Les propriétés physico-chimiques de ces systèmes ternaires ont été discutées en fonction de leur composition. Des valeurs de conductivité ionique satisfaisantes pour l'application visée ont été mesurées pour des gels fortement chargés en liquide ionique. Des membranes d'électrolytes gélifiés ont été mises en œuvre en assemblages avec des électrodes à insertion et leurs propriétés électrochimiques ont été caractérisées dans des cellules prototypes. Parallèlement, une étude plus fondamentale a été engagée pour investiguer les phénomènes de transport des espèces chargées au sein des gels. Au delà des mesures classiques basées sur la spectroscopie d'impédance électrochimique, l'utilisation de plusieurs méthodes de spectroscopie par Résonance Magnétique Nucléaire a mis en évidence l'existence d'interactions locales entre la résine et les ions lithium, impactant sensiblement leur mobilité. Ce travail a permis de faire le lien entre les interactions moléculaires et les propriétés électriques et, ainsi, de mieux comprendre les limitations propres aux systèmes choisis pour dégager des pistes d'amélioration de leurs propriétés.

Lithium batteries are promising electrical energy storage devices for application in electric vehicles. In these systems the nature of the electrolyte is a key point to control the temperature range of use and the security conditions of the battery. In this context, this work is aimed at developing new gel polymer electrolytes for lithium-ion batteries. The first part of this study has been devoted to formulation and characterization of gelled electrolytes based on an epoxy-amine resin, an ionic liquid and a lithium salt. Physico-chemical properties of these ternary systems have been discussed according to their composition. Gels with high ionic liquid contents exhibit satisfactory ionic conductivity for the considered application. Gel polymer membranes have ben processed and coupled to insertion electrodes to study their electrochemical properties in appropriate prototype cells. In a parallel study, we have focused our investigation on transport properties of charged species in these gels. Besides classical measurements based on Electrochemical Impedance Spectroscopy, several Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy methods have been implemented to study local and long range ion mobility. They have shown that particular interactions are established in the gels between the resin and the lithium ions with reduced mobility for the latter. This work has highlighted the link between molecular interactions and electrical properties in the ternary gels and thus it has enabled a better knowledge of the inner limitations of these systems. Finally, further routes have been proposed to optimize gel polymer electrolytes in lithium-ion batteries.