Thèse en cours

Découverte de nouveaux conducteurs ioniques à base d'oxythiophosphate de lithium

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Auteur / Autrice : Jamal Bouaouina
Direction : Christel Laberty-RobertArnaud Perez
Type : Projet de thèse
Discipline(s) : Physique et chimie des matériaux
Date : Inscription en doctorat le 03/10/2022
Etablissement(s) : Sorbonne université
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Chimie de la matière condensée de Paris (1997-....)

Résumé

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La prochaine génération de batteries au lithium repose en grande partie sur les propriétés des conducteurs d'ions rapides, c'est-à-dire des matériaux inorganiques dont les structures atomiques permettent la diffusion rapide des ions lithium à température ambiante, avec des conductivités allant jusqu'à 10-2 S/cm. Ces matériaux peuvent remplacer les électrolytes liquides conventionnels dans la conception de la cellule et aider à atteindre des densités d'énergie plus élevées par rapport aux batteries Li-ion commerciales. La recherche de la synthèse de meilleurs conducteurs ioniques se poursuit, et plusieurs familles structurelles se distinguent par leurs propriétés remarquables. Parmi elles, les structures thio-LISICONS et argyrodite, basées sur des anions thiophosphate (PS4)3-, présentent les plus hautes conductivités rapportées pour la conduction du lithium dans les conducteurs ioniques solides. Cependant, les matériaux à base de soufre ont tendance à réagir lorsqu'ils sont exposés à l'humidité atmosphérique, formant un gaz toxique H2S, et à s'oxyder au contact des matériaux d'électrodes à haute tension, des problèmes qui doivent être résolus par des stratégies de protection complexes. Les matériaux à base d'oxyde, en revanche, présentent une bien meilleure stabilité à haute tension mais une conductivité ionique légèrement inférieure. C'est le cas des matériaux de structure grenat=, composés d'unités tétraédriques (XO4)n- (X = Zr, Sn, Nb, Ta, Sb), et de la famille des NASICONs avec des anions phosphate (PO4)3-.[1] Ce projet explorera la synthèse de nouveaux conducteurs ioniques basés sur des anions oxythiophosphates, composés d'unités tétraédriques hétéroleptiques (PO4-xSx)4- (voir figure). Les oxythiophosphates ont été signalés par J. Berzelius en 1843 [2], mais depuis lors, moins de 40 matériaux ont été rapportés, aucun d'entre eux ne contenant des ions lithium [3]. L'objectif de ce projet est de découvrir de nouveaux matériaux à base d'anions oxythiophosphates et de lithium, et d'étudier leur structure et leurs propriétés en tant que conducteurs d'ions lithium. En plus d'utiliser des éléments abondants et disponibles, les oxythiophosphates peuvent être préparés par des méthodes de synthèse à basse température dans l'eau, ce qui en fait des matériaux extrêmement intéressants en termes d'impact environnemental.