Caractérisation d'électrolytes composites pour batteries tout-solide par diffusion de neutrons et rayonnement synchrotron
Auteur / Autrice : | Guillaume Navallon |
Direction : | Sandrine Lyonnard |
Type : | Projet de thèse |
Discipline(s) : | Physique des matériaux |
Date : | Inscription en doctorat le Soutenance le 11/12/2023 |
Etablissement(s) : | Université Grenoble Alpes |
Ecole(s) doctorale(s) : | École doctorale physique |
Partenaire(s) de recherche : | Laboratoire : Systèmes Moléculaires et Nano Matériaux pour l'Énergie et la Santé |
Jury : | Président / Présidente : Jean-claude Lepretre |
Examinateurs / Examinatrices : Natalie Malikova, Christel Laberty-robert, Dominic Bresser | |
Rapporteurs / Rapporteuses : Natalie Malikova, Christel Laberty-robert |
Mots clés
Résumé
La technologie lithium-ion atteint ses limites pour les applications de stockage dénergie dans la mobilité électrique. En effet, les hautes densités dénergie ainsi que les standards de sécurité requis par le marché sont difficilement atteignables avec les matériaux utilisés actuellement. En théorie, ces limitations peuvent être dépassées en utilisant du lithium métallique comme électrode négative, ce qui augmenterait la densité dénergie de la cellule électrochimique mais exigerait un moyen de prévenir la pousse dendritique. Dans ce contexte, les électrolytes polymères sont des matériaux prometteurs puisque leur nature solide pourrait faire obstacle à cette pousse dendritique. Cependant, leur conductivité ionique reste insuffisante en pratique. Dans certaines conditions, préparer un composite en ajoutant une petite quantité de charges dans lélectrolyte polymère permet daméliorer sa conductivité. Des études attribuent cet effet aux interactions bénéfiques à linterface entre les charges et le système polymère-sel de lithium. Dautres études, à une échelle plus large, mettent en évidence une modification de la mobilité des chaînes de polymère en présence de charges. Ensemble, ces résultats suggèrent que les charges créent autour delles des régions de conduction rapide, ce qui à léchelle macroscopique peut améliorer la conductivité de lélectrolyte. Dans cette thèse, nous cherchons à comprendre la contribution relative de ces effets à la conductivité globale, afin de clarifier le rôle des charges ajoutées dans un électrolyte polymère. Notre système détude se compose de poly(triméthylène carbonate) (PTMC) et de LiTFSI, dans lequel des particules dalumine sont incorporées en quantité variable. Nous avons choisi trois types de particules dont la morphologie et les phases cristallines sont différentes. Pour étudier les effets des charges à plusieurs échelles, nous avons combiné des caractérisations en laboratoire et aux grands instruments. Les propriétés de transport ioniques des électrolytes ont classiquement été évaluées par des techniques électrochimiques. La microstructure des composites a été sondée par imagerie-X à contraste de phase et par diffusion de rayonnement - rayons-X et neutrons - aux petits angles. Plusieurs paramètres microstructuraux pertinents ont été identifiés, et quantifiés, puis mis en corrélation avec les propriétés de transport de lélectrolyte. Nous avons montré que la densité dhydroxyles en surface des particules par volume délectrolyte, est multipliée par deux selon le type de charge utilisé, et que ce paramètre est lié à létat dagglomération des particules et à lhomogénéité de leur dispersion. Cette étude structurale est accompagnée dune étude de la dynamique du PTMC à léchelle moléculaire par diffusion quasi-élastique de neutrons (QENS). Nous avons montré que la mobilité intrinsèque du PTMC est entravée par la présence de sel de lithium, tandis quen présence dalumine les chaînes polymères retrouvent une mobilité locale. A léchelle temporelle caractéristique de plusieurs centaines de picosecondes, le temps de relaxation de la dynamique est divisé par deux en présence de charges. Lensemble des caractérisations menées nous permet de discuter leffet de charges inertes sur les propriétés de transport ionique dun électrolyte à base de PTMC. Dans un électrolyte composite, la présence de charges induit plusieurs effets qui se combinent et dont la résultante complexe dépend de plusieurs facteurs. Nous avons démontré que lampleur des interactions à linterface entre particules et polymère tout comme les variations de mobilité locale du polymère sont en corrélation avec les changements des propriétés de transport de lélectrolyte. La compréhension de ces mécanismes constitue une étape importante dans le but doptimiser la formulation de composite pour produire des électrolytes plus performants.