Batteries tout-solide à haute densité d'énergie

High energy density all-solid-state batteries

• Auteur / Autrice : Xavier Randrema
• Direction : Mathieu Morcrette
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie. Chimie et électrochimie des solides
• Date : Soutenance le 15/06/2021
• Etablissement(s) : Amiens
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, technologie et santé (Amiens)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de réactivité et chimie des solides (Amiens ; 1968-....)
• Jury : Président / Présidente : Sylvain Franger
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Raphaël Janot, Virginie Viallet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Annie Pradel, Ismael Saadoune

Mots clés

Mots clés contrôlés

Piles à électrolyte solide

Électrolytes solides

Mots clés libres

Batteries tout-Solide

Argyrodite

Stabilité électrochimique

Cellule bipolaire

Enrobage

All-Solid-State-Batteries

Solid electrolytes

Electrochemical stability

Bipolar cell

Coating

Résumé

Les travaux de recherche de cette thèse s'inscrivent dans la dynamique industrielle du développement de batteries-tout-solide pour, premièrement, remplacer les électrolytes liquides des batteries Li-ion qui contiennent des solvants organiques inflammables, et deuxièmement, utiliser du lithium métallique comme anode afin d'améliorer la densité d'énergie massique et/ou volumique de la cellule. Pour cela, le composé Li6PS5Cl a été synthétisé et utilisé comme électrolyte solide dans des batteries assemblées par compression uniaxiale de poudres à température ambiante (voie sèche). Des verrous scientifiques et technologiques ont été identifiés lors de cette étude : les réactions parasites entre électrolyte et matériau actif impliquant la protection de ce dernier par un enrobage inerte, ou encore l'importance du contrôle de la pression lors de l'assemblage et du cyclage de la batterie. Une dimension plus industrielle a été donnée au projet par la suite avec des essais de mise en solution de l'électrolyte solide, dans l'optique de développer un procédé d'enduction d'électrodes par voie liquide, plus adapté aux lignes de production des batteries actuelles. La suspension des particules dans un solvant a montré ses limites, et nous avons fait le choix de la dissolution de l'électrolyte. Cette étude largement discutée dans la dernière partie du manuscrit, a eu pour objectif de bien disperser l'électrolyte dans l'électrode composite, en plus de l'enrobage de la matière active par l'électrolyte solide, pour une meilleure percolation ionique

This thesis work belongs to the actual industrial dynamic around all-solid-state batteries developpement. We aim, firstly, to replace the liquid electrolytes by solid one in conventional Li-ion batteries, and secondly, to use lithium metal as anode material for more volumetric and gravimetric energy density. For this purpose, the Li6PS5Cl compound was synthesised and used as solid electrolyte in dry-assembled batteries obtained by uniaxial compression of powders at room temperature. Scientific and technological issues were identified during this study : parasitic reactions between electrolyte and active material involving the protection of the latter by an inert coating, and/or the importance of pressure control during battery assembly and cycling. For a future industrial application, we tried to formulate our electrodes in wet/liquid process as the conventional Li-ion batteries. The suspension of particles in a solvent has shown its limits and we have chosen to dissolve the solid electrolyte in the mixing step. This study, widely discussed in the last part of the manuscript, aimed to properly disperse the electrolyte in the electrode composite, in addition to the coating of the active material's particles by the solid electrolyte, for better ionic percolation