Thèse en cours

Etude et modélisation des phénomènes à l'interface entre une électrode en lithium métal et un électrolyte solide polymère
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Auteur / Autrice : Thibault Delpech
Direction : Anass Benayad
Type : Projet de thèse
Discipline(s) : 2MGE - Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie
Date : Inscription en doctorat le 04/10/2021
Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CEA Grenoble / LITEN

Mots clés

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Résumé

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Bien que de grands progrès technologiques aient permis aux accumulateurs lithium-ion d'occuper une place prépondérante sur le marché des batteries, leurs limitations en terme de densité énergétique, de coût et de sécurité obligent les industriels à envisager des nouveaux systèmes post Li-ion à haute densité d'énergie. Parmi ceux-ci, plusieurs reposent sur l'utilisation d'une électrode négative « ultime » constituée de lithium métal. Il s'agit de l'élément métallique le plus prometteur (jusqu'à 650 Wh/kg et 1300 Wh/L annoncés). Cependant, deux problématiques majeures restent encore à résoudre. Lors de régimes de charge élevés, notamment à basse température, le dépôt de lithium peut aboutir à la formation de structures solides complexes, appelées dendrites, pouvant endommager la batterie (court-circuit). D'autre part, lors des cycles de charge et de décharge, le volume de l'électrode négative change de manière significative, ce qui induit des contraintes mécaniques pouvant fracturer les couches de passivation (SEI ou Solid Electrolyte Interphase) potentiellement formées à l'interface, et ainsi diminuer progressivement l'efficacité faradique de la batterie. L'utilisation d'électrolytes solides, hormis leur intérêt en terme de sécurité dû à leur non inflammabilité, semble être une solution très intéressante pour enrayer ce processus de formation dendritique. En plus de diminuer les risques de réaction explosive, les propriétés mécaniques de ces matériaux aux interfaces peuvent permettre de limiter la croissance dendritique, ainsi que la formation et la tenue mécanique des SEI. Néanmoins la compréhension fine de ces phénomènes reste limitée et nécessite le recours à la simulation pour identifier et quantifier les paramètres physiques prépondérants.Ce travail de thèse vise à modéliser et simuler la physique à l'interface entre une électrode négative et un électrolyte solide polymère afin de déterminer les conditions opératoires et les propriétés mécanochimiques qui permettent d'obtenir un électrodépôt homogène, stable et réversible. Ces modèles s'appuieront sur des travaux de simulations numériques effectués dans le cadre de thèses précédentes, en incluant des méthodes champ de phase qui permettent de rendre compte de la croissance de la SEI et du déplacement de l'interface. Enfin, des méthodes électrochimiques de caractérisation avancée et des outils de nano-caractérisation AFM couplés à de l'XPS seront effectués au sein du laboratoire DRT/LCAE afin de comprendre finement les mécanismes de création et de déformation de la SEI.