Matériaux composites inorganiques-polymères à l'électrode positive des batteries Li tous à l'état solide

Inorganic-polymer composite materials at the positive electrode of Li all solid state batteries

• Auteur / Autrice : Ivone Nugraha
• Direction : Laurence Croguennec, Éric Cloutet
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physico-Chimie de la Matière Condensée
• Date : Inscription en doctorat le 16/11/2022
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences chimiques (Talence, Gironde ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ICMCB - Institut de Chimie de la Matière Condensée de Bordeaux
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Energie : Matériaux et Batteries

Mots clés

Mots clés libres

Batteries à l'état solide

Composite inorganique-polymère

Stabilisation des interfaces

Électrode positive

All solid state batteries

Inorganic-polymer composite

Interface stabilization

Positive electrode

Résumé

Ce projet de thèse porte sur le développement de composites inorganiques-polymères pour les électrodes positives des batteries Li-ion tout solide. Il sera développé en collaboration entre les laboratoires ICMCB-Bordeaux, LCPO-Bordeaux et IPREM-Pau. Des polymères conducteurs mixtes seront développés. Ils agiront comme une interface artificielle entre les matériaux actifs d'électrode positive LiNi1-x-yMnxCoyO2 ou LiFe1 yMnyPO4 et les électrolytes céramiques (phosphates, oxydes ou sulfures) pour (i) empêcher la réactivité à l'interface solide-solide, mais aussi (ii) apporter de la plasticité à cette interface, indispensable pour toutes les batteries à l'état solide. En effet, le polymère peut fonctionnaliser les deux surfaces. Il assurera la percolation électronique mais aussi, avec l'électrolyte céramique, la conduction ionique du Li+ au sein de l'électrode composite massive. Ce projet s'appuie sur les expertises reconnues et très complémentaires des trois partenaires académiques et de leurs environnements scientifiques et technologiques. L'ICMCB est spécialiste de la synthèse et de la caractérisation de matériaux pour le stockage électrochimique de l'énergie, et notamment des matériaux pour batteries, le LCPO dans le développement de nouveaux polymères fonctionnels pour l'énergie et l'IPREM dans la caractérisation de la réactivité aux surfaces et aux interfaces. Il sera essentiel de caractériser les propriétés de conduction électronique et ionique, la stabilité, ainsi que les propriétés mécaniques des polymères et matériaux composites ainsi préparés, selon : (i) la composition (nature et concentration des différents monomères) et la structure du polymère, (ii) la composition (rapport polymère/matériau d'électrode/électrolyte inorganique) et les propriétés physico-chimiques (nature de l'interaction : mélange ou imprégnation et enrobage ou greffage) du matériau composite et (iii) le cyclage conditions (fenêtre de potentiel, type d'électrolyte, régime de cyclage, température). L'objectif sera de démontrer que cette stratégie de synthèse de nouveaux matériaux permet de lever les verrous de réactivité et de décohésion à l'interface solide-solide électrode-électrolyte. L'ICMCB et le LCPO sont deux laboratoires voisins sur le même campus de l'Université de Bordeaux (à moins de 500 m l'un de l'autre), le doctorant aura ainsi la possibilité d'effectuer ses recherches tout au long du projet dans les deux, et il/elle passera au moins 3 mois en détachement à l'IPREM à Pau, à 2h de train de Bordeaux. Des séjours courts et réguliers seront organisés tout au long des trois années à l'IPREM afin de caractériser toutes les interfaces, dans le composite vierge entre le matériau inorganique et le polymère, mais aussi après cyclage.

This PhD project deals with the development of inorganic-polymer composites for positive electrodes of all-solid Li-ion batteries. It will be developed in collaboration between the laboratories ICMCB-Bordeaux, LCPO-Bordeaux and IPREM-Pau. Mixed conductive polymers will be developed. They will act as an artificial interface between the active LiNi1-x-yMnxCoyO2 or LiFe1 yMnyPO4 positive electrode materials and the ceramic electrolytes (phosphates, oxides or sulphides) to (i) prevent reactivity at the solid-solid interface, but also (ii) bring plasticity to this interface, essential for all solid state batteries. Indeed, the polymer can functionalize both surfaces. It will ensure the electronic percolation but also, with the ceramic electrolyte, the ionic conduction of Li+ within the massive composite electrode. This project is built on the recognized and highly complementary expertise of the three academic partners and their scientific and technological environments. ICMCB is specialist in the synthesis and characterization of materials for the electrochemical storage of energy, and especially in materials for batteries, LCPO in the development of new functional polymers for energy and IPREM in the characterization of reactivity to surfaces and interfaces. It will be essential to characterize the electronic and ionic conduction properties, the stability, as well as the mechanical properties of the polymers and composite materials thus prepared, according to: (i) the composition (nature and concentration of the different monomers) and the structure of the polymer, (ii) the composition (ratio polymer/electrode material/inorganic electrolyte) and the physico-chemical properties (nature of the interaction: mixing or impregnation and coating or grafting) of the composite material and (iii) the cycling conditions (potential window, type of electrolyte, cycling regime, temperature). The objective will be to demonstrate that this strategy of synthesis of new materials makes possible to lift the reactivity and decohesion locks at the solid-solid electrode-electrolyte interface. ICMCB and LCPO are two neighboring laboratories on the same campus at the University of Bordeaux (less than 500 m away from each other), the PhD candidate will thus have the possibility to perform its research all along the project in both, and he/she will spend at least 3 months as secondment at IPREM in Pau, 2 hours by train from Bordeaux. Short and regular stays will be organized all along the three years at IPREM in order to characterize all the interfaces, in the pristine composite between the inorganic material and the polymer, but also after cycling.