Synthèse et caractérisation d'électrolytes solides hybrides pour les batteries au lithium métal

Synthesis and characterization of hybrid solid electrolytes for lithium metal batteries

• Auteur / Autrice : Sébastien Issa
• Direction : Trang Phan, Didier Gigmes
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences chimiques
• Date : Soutenance le 04/02/2022
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole èdoctorale Sciences Chimiques (Marseille ; 1996-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Chimie Radicalaire (ICR) (Marseille) - Laboratoire Léon Brillouin (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1974-....) - Laboratoire d'électrochimie et de physicochimie des matériaux et des interfaces (Grenoble ; 1995-....)
• Jury : Président / Présidente : David Grosso
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabrice Cousin, Cristina Iojoiu
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Doru Constantin, Stéphanie Degoutin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Accumulateurs au lithium-polymère

Batteries lithium-ion

Lithium

Accumulateurs

Électrolytes solides

Électrolytes

Mots clés libres

Lectrolytes solides polymères

Batterie au lithium métallique

Nanocomposites

Nanoparticules de silice greffées

Greffage « grafting to »

Electrolytes solide hybride polymère

Solid polymer electrolyte

Lithium-Metal battery

Nanocomposite

Grafted silica nanoparticle

Grafting to

Single-Ion electrolyte

Résumé

Les problématiques engendrées par l’extraction et l’utilisation intensives des ressources fossiles ont forcé l’humanité à se tourner vers le développement d’énergies renouvelables et de véhicules électriques. Cependant, ces technologies doivent être couplées à des moyens de stockage de l’énergie efficaces pour exploiter leur potentiel. Les systèmes embarquant une anode de lithium métallique sont particulièrement intéressants car ils présentent une densité d’énergie élevée. Cependant, cette technologie souffre de la formation de dendrites pouvant déclencher des courts-circuits provoquant l’explosion du dispositif. Ainsi, de nombreux efforts ont été consacrés à l’élaboration d’électrolytes solides polymères (SPE) à base de POE permettant de constituer une barrière qui bloque la croissance dendritique tout en préservant les propriétés de conduction ionique. Cependant, la conductivité ionique des SPE à base de POE décroît fortement avec la température. A l’heure actuelle, les meilleurs SPE de la littérature nécessiteraient de fonctionner à 60 °C, ce qui signifie qu’une partie de l’énergie de la batterie sera détournée de son utilisation pour maintenir cette température. Ainsi, l’objectif principal de ce travail de thèse est de concevoir un SPE permettant le fonctionnement de la technologie de batterie au lithium métal à température ambiante. Ces SPE doivent présenter une conductivité ionique élevée à température ambiante (≈ 10-4 S.cm-1) et des propriétés mécaniques permettant l’inhibition du phénomène de croissance dendritique. Pour cela, les objectifs du projet sont focalisés sur le développement de nouveaux SPE nanocomposites et hybrides

The problems caused by the intensive extraction and use of fossil fuels have forced humanity to turn to the development of renewable energies and electric vehicles. However, these technologies need to be coupled with efficient energy storage means to exploit their potential. Lithium metal anode systems are particularly interesting because they have a high energy density. However, this technology suffers from the formation of dendrites that can trigger short circuits causing the device to explode. Thus, many efforts have been devoted to the development of POE-based solid polymer electrolytes (SPEs) that provide a barrier that blocks dendritic growth while preserving ionic conduction properties. However, the ionic conductivity of POE-based SPEs decreases strongly with temperature. Currently, the best SPEs in the literature would require operation at 60 °C, which means that some of the energy in the battery will be diverted from its use to maintain this temperature. Thus, the main objective of this thesis work is to design an SPE that allows the operation of lithium metal battery technology at room temperature. These SPEs must exhibit high ionic conductivity at room temperature (≈ 10-4 S.cm-1) and mechanical properties that allow the inhibition of the dendritic growth phenomenon. For this, the objectives of the project are focused on the development of new nanocomposite and hybrid SPEs