Conception d'une membrane composite organique-inorganique comme nouvel électrolyte dans les batteries tout solide

Composite organic-inorganic membrane as new electrolyte in all solid-state battery

• Auteur / Autrice : Agathe Naboulsi
• Direction : Christel Laberty-Robert, Odile Fichet, Tran Minh Giao Nguyen
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 16/10/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Chimie de la matière condensée de Paris (1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Hubert Perrot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sylvain Franger
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fannie Alloin, Matthieu Becuwe

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie d'impédance

Électrolytes solides

Batteries lithium-ion

Composites

Mots clés libres

Composite

Électrolyte

Batterie

Spectroscopie d'impédance

Composite

Electrolyte

Battery

Impedance Spectroscopy

Résumé

Le développement de batteries tout solide est essentiel pour réussir la transition écologique et le déploiement de véhicules tout électriques. Le développement de cette filière pourra se faire, entre autres, par l'élaboration d’un électrolyte tout solide (SE). Les SE polymères à base de poly(éthylène glycol) présentent l'avantage d'être adaptables aux procédés actuels de fabrication des batteries Li-ion. Malheureusement, leur conductivité reste limitée (10-6 – 10-9 S.cm-1) à température ambiante. Les SE inorganiques, comme le Li7La3Zr2O12, sont en revanche de bons conducteurs ioniques (10-3 S.cm-1), mais ils nécessitent des procédés de mise en forme coûteux et énergivores. L’objectif de cette thèse était le développement de SE composites qui combinent les avantages de ces deux matériaux. Les travaux ont porté sur la conception d'un SE composite performant et l’étude des mécanismes de transport à l'interface de ces deux matériaux. Une étude approfondie sur un SE polymère a été menée afin d'optimiser sa synthèse à partir de monomères, liquides et commerciaux. En utilisant cette approche de synthèse, il a été possible de mettre en œuvre différents procédés de mise en forme de SE composite (frittage basse température, extrusion électro-assistée, coulée évaporation) afin de contrôler le mélange des deux matériaux et leur interface. La spectroscopie d'impédance électrochimique a été largement mise en œuvre pour comprendre les phénomènes de transport dans les SE composites.

The development of all-solid-state batteries is essential if we are to make a success of the ecological transition and the deployment of all-electric vehicles. One way of developing this sector is to produce an all-solid electrolyte (SE). Poly(ethylene glycol)-based polymer SEs have the advantage of being adaptable to current Li-ion battery manufacturing processes. Unfortunately, their conductivity remains limited (10-6 - 10-9 S.cm-1) at ambient temperature. Interestingly, inorganic SEs, such as Li7La3Zr2O12, are good ionic conductors (10-3 S.cm-1), but they require costly and energy-intensive shaping processes. This thesis aimed to develop composite SEs that combine the advantages of these two materials. The work focused on the design of a high-performance composite SE and the study of transport mechanisms at the interface of these two materials. An in-depth study of a polymer SE was carried out in order to optimize its synthesis from liquid and commercial monomers. Taking advantage of this synthesis design, various composite SE shaping processes (low-temperature sintering, electro-assisted extrusion, evaporation casting) were explored in order to control the mixing of the two materials and their interface. Electrochemical impedance spectroscopy has been widely used to understand transport phenomena in composite SEs.