Batterie Lithium-Soufre de nouvelle génération à Haute Performance

High Performance next generation Lithium-Sulfur battery

• Auteur / Autrice : Safa Gharbi
• Direction : Costel-Sorin Cojocaru
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique
• Date : Inscription en doctorat le 01/03/2024
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LPICM - Laboratoire des Interfaces et des Couches Minces

Mots clés

Mots clés libres

Batteries Li-S

Nanotubes de carbone (CNT)

Électrodes

Soufre

Batteries de nouvelle génération

Systèmes de stockage d'énergie

Li-S batteries

Carbon nanotubes (CNTs)

Electrodes

Sulfur

Next generation batteries

Energy storage systems

Résumé

Le développement de nouveaux systèmes de stockage d'énergie a été alimenté par le besoin croissant d'électrification dans divers secteurs d'application. La croissance rapide du marché des batteries lithium-ion (LIB) et les progrès significatifs réalisés dans l'électrification sont rendus possibles par le développement continu de cellules et la production à grande échelle de LIB dans des gigafactories. Cependant, les capacités de la technologie traditionnelle des LIB ne sont plus en mesure de satisfaire les exigences de performance des applications émergentes souhaitables. Parmi les technologies de batterie de nouvelle génération, les batteries lithium-soufre (Li-S) sont explorées pour leur énergie spécifique théorique considérablement plus élevée de 2600 Wh/kg. Malgré les efforts innovants déployés dans les laboratoires de recherche pour démontrer des cellules prometteuses, la plupart de la recherche est malheureusement menée à petite échelle, comme avec des cellules de type pièce, sans tenir compte de la mise à l'échelle. Ce projet vise à promouvoir le développement pratique de systèmes de batteries émergentes à haute énergie et à combler le fossé entre la caractérisation des cellules en laboratoire et le développement de prototypes de cellules. Cela sera réalisé en développant une méthodologie de mise à l'échelle sur l'assemblage de cellules en poches à couches multiples, en examinant les performances des batteries à grande échelle, et en résolvant des problèmes techniques qui ne peuvent pas être pris en compte au niveau des cellules à petite échelle. Les problèmes envisagés peuvent inclure la stabilité à l'interface anode/électrolyte conduisant à une dégradation rapide de la capacité, la déplétion de l'électrolyte et la dégradation de l'anode au lithium, la morphologie non uniforme des anodes lors du cyclage, les chutes de capacité initiales, la génération de chaleur, etc. Les électrodes sont conçues sur la base d'une nouvelle architecture, une approche perturbatrice par rapport aux LIB commerciales. Les électrodes sont composées d'un tapis de nanotubes de carbone (CNT), verticalement fixé sur une feuille métallique ordinaire agissant comme collecteur de courant. Le tapis dense de CNT est décoré avec du matériau actif au soufre (S@VACNTs). Les électrodes sont exemptes d'additifs essentiels dans les électrodes conventionnelles mais ajoutant un 'poids mort' significatif dans la cellule (~ 15-20%) et nécessitant un traitement par des solvants toxiques. De plus, l'architecture perturbatrice exploite la haute conductivité électrique des VACNTs et leur grande surface pour faciliter le transport rapide de charges et permettre une recharge rapide répétée ainsi qu'une meilleure performance pour les batteries à haute énergie spécifique. Des piles bouton (CR2032) de Li-S ont été conçues avec succès et ont montré des performances significativement meilleures en termes de densité énergétique gravimétrique. La recherche sur des prototypes à plus grande échelle est impérative pour comprendre les véritables goulots d'étranglement sur la voie de la commercialisation de cette technologie. Cette thèse contribuera à réaliser un énorme potentiel des systèmes Li-S basés sur des conceptions à plus grande échelle et à répondre aux exigences des applications émergentes en termes de durée de vie, densité énergétique, performances, stabilité thermique et sécurité, favorisant ainsi leur percée en tant que systèmes de stockage d'énergie durables, sûrs et légers.

The development of new energy-storage systems has been fueled by the ever-increasing need forelectrification across various application sectors.1,2 The rapid expansion of the Lithium-ion battery (LIB)market and the significant progress made in electrification is enabled by the ongoing cell development andthe Gigafactory-scale mass production of LIBs. However, the capabilities of traditional LIBs technologyare no longer able to satisfy the performance requirements of desirable emerging applications.3 Among thenext-generation battery technologies, Lithium-Sulfur batteries (Li-S) are explored for their considerablyhigher theoretical specific energy of 2600 Wh/Kg.4,5 Despite the highly innovative efforts invested inresearch labs to demonstrate promising cells, unfortunately, most of the research is being conducted on asmall scale, such as coin-type cells, without considering scale-up designs. This project aims to promote thepractical development of emerging higher-energy battery systems and to bridge the gap between lab cellcharacterization and prototype cell development. This will be achieved by developing an up-scalingmethodology on multi-layered pouch cell assembly, investigating the performance of scaled-up batteries,and solving technical problems which cannot be considered at the level of small-scale cells. Problemsenvisioned may include stability at the anode/electrolyte interface leading to fast capacity fading, electrolytedepletion and Li anode degradation, non-uniform morphology of anodes upon cycling, initial capacity drops,heat generation, etc.6,7The electrodes are designed based on a new architecture, a disruptive approach regarding commercialLIBs. The electrodes are composed of carbon nanotubes (CNTs) carpet, vertically pinned on an ordinarymetallic foil acting as current collector. The dense CNTs carpet are decorated with Sulfur active material(S@VACNTs). The electrodes are free of additives which are essential in conventional electrodes but addsignificant “dead weight” in the cell (~ 15 – 20%) and require toxic solvents processing. Moreover, thedisruptive architecture exploits the VACNTs' high electrical conductivity and large surface area to facilitaterapid charge transport and to enable repeated fast charging and greater power performance for high specificenergy batteries. Coin cells (CR2032) of Li-S have been successfully designed and have shown significantlybetter performances in terms of gravimetric energy density. Research on up-scaled prototypes is imperativeto understand real and important bottlenecks on the way to commercializing such technology.This thesis will be helpful in realizing a huge potential from Li-S systems based on scale-up designs and inmeeting the requirements of emerging applications in terms of cycle life, energy density, powerperformance, thermal stability, and safety, thus, promoting their breakthrough as sustainable, safe, and light weight energy storage systems.