Prochaine génération de fluorure de métal mélangé pour batterie tout solide

Next generation of mixed metal fluoride for all solid state battery

• Auteur / Autrice : Abderraouf Rouag
• Direction : Katia Guerin, Cristina Iojoiu
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Chimie des matériaux, nanomatériaux et procédés
• Date : Inscription en doctorat le 09/10/2023
• Etablissement(s) : Université Clermont Auvergne (2021-...)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences fondamentales (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Chimie de Clermont-Ferrand (Aubière, Puy-de-Dôme ; 2012-....)

Mots clés

Mots clés libres

Synthèse de ionomère

Batterie

Synthèse sous gaz fluoré

Fluorure

Polymère

Hdl

Battery

Gas solid fluorination

Ionomer synthesis

Polymer

Fluoride

Ldh

Résumé

Pour de nombreuses applications, et en particulier dans l'espace, l'augmentation du contenu énergétique des batteries Li-ion et l'amélioration de leur cyclabilité et de leur durée de vie sont des questions essentielles. Cette technologie est actuellement la seule à occuper les différents marchés du stockage d'énergie, mais de nouvelles technologies permettant d'augmenter l'utilisation des batteries émergent, telles que les technologies dites de conversion utilisant le lithium métal comme anode, par exemple les batteries lithium-soufre. Afin d'augmenter la durée de vie de la batterie, il est nécessaire de penser à utiliser des éléments chimiques avec un grand échange électronique avec le lithium : les métaux de transition sont les éléments de choix. Ainsi, lors d'une thèse précédente achevée en septembre 2020 et cofinancée par le CNES, nous avons montré l'intérêt du fer et du cuivre allié à des atomes de fluor sous forme de fluorure pour augmenter la performance des batteries lithium-ion. Des capacités de 220 mAh/g à un potentiel moyen de 3V vs Li+/Li sur plus de 50 cycles ont été obtenues, i.e. un gain de plus de 30% en énergie. Tout le savoir-faire mis en œuvre au cours de cette thèse doit être transposé à la technologie révolutionnaire 'tout à l'état solide' utilisant du lithium métal à l'anode et un électrolyte polymère. Cette technologie permettra d'accroître la densité énergétique et de concevoir un système sécuritaire. L'électrolyte polymère, grâce à sa flexibilité, son caractère solide, ses interfaces stables avec les électrodes, assurera en plus de la sécurité une bonne stabilité et la rétention de la capacité du système. Au cours de cette thèse, deux activités seront réalisées simultanément : 1. L'augmentation d'échelle de cette nouvelle génération de matériaux cathodiques et l'évaluation des limites de performance de ces fluorures de fer en termes de cyclabilité, de compatibilité des matériaux électrolytiques-cathodiques, de taux de charge en carbone, de température de fonctionnement, de densité de courant applicable 2. Leur intégration dans les systèmes lithium métal-polymère Le cours de cette thèse comprendra 3 parties : La préparation de matériaux fluorés sous fluor moléculaire à l'échelle de 1

For many applications, and in particular space, increasing the energy content of Li-ion batteries and improving their cyclability and lifetime are essential issues. This technology is currently the only one to occupy the various energy storage markets, but new technologies enabling the use of batteries to be increased are emerging, such as so-called conversion technologies using lithium metal as the anode, e.g. lithium-sulphur batteries. In order to increase battery life, it is necessary to think about using chemical elements with a large electronic exchange with lithium: transition metals are the elements of choice. Thus, during a previous thesis completed in September 2020 and co-financed by the CNES, we showed the interest of iron and copper alloyed with fluorine atoms in the form of fluoride to increase the performance of lithium ion batteries. Capacities of 220 mAh/g at an average potential of 3V vs Li+/Li over more than 50 cycles were obtained, i.e. a gain of more than 30% in energy. All the know-how implemented during this thesis must be transposed to the breakthrough 'all solid state' technology using lithium metal at the anode and a polymer electrolyte. This technology will allow for increased energy density and a safe system design. The polymer electrolyte, thanks to its flexibility, solid character, stable interfaces with the electrodes, will provide in addition to safety a good stability and retention of the system capacity. During this thesis, two activities will be carried out simultaneously: 1. The scale-up of this new generation of cathode materials and the evaluation of the performance limits of these iron fluorides in terms of cyclability, electrolyte-bonding-cathode material compatibility, carbon loading rate, operating temperature, applicable current density 2. Their integration in lithium metal-polymer systems The course of this thesis will include 3 parts: The preparation of fluorinated materials under molecular fluorine from the scale of 100 mg to 100g. Different fluorination reactors available at the ICCF allow to approach these different scales. The preparation of polymers allowing operation in all solids and compatible with fluorinated cathodes The fine characterisation of the fluorinated solids obtained by structural characterisation techniques such as X-ray diffraction (XRD), IR and Raman spectroscopies and textural techniques such as microscopy. Expertise will be developed on structural phase determination by XRD and on in-situ coupling of XRD and electrochemical tests. All these techniques are available at the University of Clermont Auvergne. As a preamble to the evaluation of the electrochemical properties in the different systems (conventional lithium-ion; polymer lithium), particular attention will be paid to the conductivity, thermal stability and chemical reactivity with respect to the different polymer electrolytes of the newly prepared products. Finally, the best technologies will be evaluated in a cylindrical cell of the pouch cell type, a conventional cell for space application, and may be evaluated within CNES.