Formulations de matériaux d'électrode positive adaptés à l'extrusion pour utilisation dans des batteries lithium-ion tout solide

Formulations of positive electrode materials suitable for extrusion for use in all-solid-state lithium-ion batteries

• Auteur / Autrice : Augustin Flament
• Direction : Christian Carrot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie et Sciences des matériaux
• Date : Soutenance le 02/06/2023
• Etablissement(s) : Saint-Etienne
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Ingénierie Santé (Saint-Etienne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Ingénierie des Matériaux Polymères (Auvergne Rhône-Alpes ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Anatoli Serghei
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre Bernard, Melinda Desse
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Cristina Iojoiu, Frédéric Léonardi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matière active (physique)

Sels de lithium

Polycarbonates

Batteries lithium-ion

Batteries

Véhicules électriques

Électrodes

Mots clés libres

Batterie solide

Electrode positive

Extrusion

Poly(carbonate d'ethylène)

Sel de lithium

Matière active

Conducteur électronique

Mélangeur interne

Solid battery

Positive electrode

Extrusion

Poly(ethylene carbonate)

Lithium salt

Active ingredient

Electronic driver

Internal mixer

Résumé

L'urgence climatique impose de revoir nos modes de vie notamment ceux liés au transport. Le véhicule électrique fait partie des solutions à condition de réaliser un stockage efficace de l'énergie. Le choix des batteries lithium-ion tout solide à base de polymères se distingue par sa capacité à allier autonomie et facilité de mise en œuvre. Le défi des batteries tout solide est de conjuguer cette dernière avec des propriétés conductrices fonctionnelles ioniques et électroniques dans une matrice polymère par l'ajout d'additifs tels que des charges carbonées, des sels de lithium et des matériaux d'intercalation du Li dans le cas d'un matériau d'électrode positive. Dans ce travail, les conditions du mélange des constituants d'une électrode positive dans un liant poly(carbonate d'éthylène),jouant également le rôle d'électrolyte solide, ont été étudiées en mélangeur interne. Les propriétés de conduction ionique et électronique nécessitent l'ajout de grandes quantités de charges. Aussi, l'accent a été mis sur la dispersion, l'adhésion, la stabilité ainsi que la rhéologie en lien avec la structure polymère qui sont déterminants pour la mise en œuvre du matériau, en particulier en extrusion. L'effet des ajouts successifs de la charge active intercalante (oxyde de nickel-manganèse-cobalt) et de l'additif conducteur électronique a ainsi été étudié dans une démarche analytique. L'impact sur les propriétés fonctionnelles a enfin été analysé. L'ensemble a mis en évidence la possibilité et la faisabilité de la réalisation d'électrodes positives solides par le procédé d'extrusion avec des propriétés fonctionnelles satisfaisantes.

The climate emergency requires to change our lifestyles, particularly those related to transportation and mobility. Electric vehicles are part of the solutions provided that efficient energy storage is achieved. The choice of all-solid-state lithium-ion batteries based on polymer stands out for its ability to combine autonomy and ease of process. The challenge of all-solid-state batteries is to ensure ionic and electronic conduction in a polymer matrix by using various additives such as carbonaceous fillers, lithium salts, active materials for Li intercalation in the case of a positive electrode. In this work. the mixing condition of the constituents of a positive electrode in blends with a poly(ethylene carbonate) binder, acting as solid electrolyte were studied. Ionie and electronic conductive properties require the use of large amounts of various fillers. Tberefore, emphasis was put on dispersion, adhesion, stability as well as rheology in relation to the polymer structure, that are determining for the processing of the material especially by extrusion. The effect of successive additions of the intercalating active filler (lithiated nickel-manganese-cobalt oxide type) and carbonaceous conductive additives was studied in an analytical way. The impact on some functional properties was also shown. The results have highlighted the possibility and feasibility of producing solid positive electrodes by the extrusion process with satisfactorv functional properties.