Développement de nouveaux matériaux d'anode pour les batteries potassium-Ion

Development of new anode materials for potassium-ion batteries

• Auteur / Autrice : Anice Hammoutene
• Direction : Philippe Azais
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : MAT - Matériaux
• Date : Inscription en doctorat le 04/11/2024
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LITEN / CEA Grenoble
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : DEHT

Mots clés

Mots clés libres

Batteries

Potassium-ion

Anode

Résumé

Les batteries Li-ion actuelles utilisées dans les applications hautes énergies sont principalement composées d'une anode en graphite et d'une cathode contenant un oxyde lamellaire lithié de formule LiNixMnyCozO2. Le développement et la généralisation de l'automobile électrique va engendrer une tension notable sur certains éléments chimiques déjà considérés comme critiques ou qui tendent à le devenir (lithium, nickel, cobalt et cuivre). De plus, le mode de production de ces matériaux s'avère être très énergivore (multiples calcinations) et met en œuvre des solvants/produits peu respectueux de l'environnement (NMP, ammoniaque). La thèse que nous proposons ici a pour but de développer une technologie de batterie basée sur le potassium, n'utilisant aucun élément critique et dont la production permettrait de réduire considérablement l'empreinte écologique. Une première thèse effectuée au CEA Grenoble a permis de réaliser un premier système complet mettant en œuvre du graphite pour l'anode et un matériau composé de potassium/fer/manganèse pour la cathode. Le choix de la cathode (blanc de Prusse) couplé à la technologie K-ion permet de s'affranchir du lithium, du cuivre, du nickel et du cobalt tout en supprimant toutes les étapes du procédé qui s'avèrent être énergivores ou polluantes (aucune calcination, synthèse et préparation des électrodes en voie aqueuse). La possibilité d'utiliser du graphite comme matériau d'anode a souvent été reportée dans la littérature comme Un avantage de la technologie potassium ion vis-à-vis de la technologie sodium ion. Cependant, l'insertion du potassium en charge dans l'électrode négative engendre une expansion volumique du graphite de l'ordre de 60%. Cette augmentation du volume a de grandes chances d'être rédhibitoire pour la fabrication de cellules électrochimiques de grande taille. Le sujet de thèse proposé aura pour but d'étudier ce problème selon plusieurs axes de recherche : • Utilisation du graphite : plusieurs grades de graphite seront finement caractérisés afin de définir les propriétés optimales permettant d'obtenir de bonnes performances électrochimiques avec le potassium. En parallèle, une étude sur la formulation du graphite en voie aqueuse sera effectuée afin d'améliorer la réponse de l'électrode finale vis-à-vis de l'expansion du matériau d'anode lors de l'insertion du potassium. • Des composés de la famille des carbones durs seront également évalués comme possible substitut au graphite. • Une recherche plus amont sera faite afin de synthétiser de nouveaux composés de type oxyde ou hybride permettant l'insertion et la désinsertion du potassium avec une expansion volumique minimale. L'ensemble de ces matériaux sera dans un premier temps développé dans des cellules de petites dimensions puis les recherches évolueront rapidement vers la mise en œuvre d'un système complet et des ajustements au niveau de l'électrolyte seront certainement à prévoir en deuxième année.

Current Li-ion batteries used in high-energy applications are mainly composed of a graphite anode and a cathode containing a lithiated lamellar oxide with the formula LiNixMnyCozO2. The development and widespread use of electric cars will place considerable pressure on certain chemical elements that are already considered critical, or are tending to become so (lithium, nickel, cobalt and copper). What's more, the production process for these materials is energy-intensive (multiple calcinations) and uses environmentally unfriendly solvents/products (NMP, ammonia). The aim of this thesis is to develop a potassium-based battery technology that does not use any critical elements, and whose production would considerably reduce the ecological footprint. An initial thesis carried out at CEA Grenoble produced a first complete system using graphite for the anode and a material composed of potassium/iron/manganese for the cathode. The choice of cathode (Prussian white), coupled with K-ion technology, eliminates the need for lithium, copper, nickel and cobalt, while at the same time eliminating all process steps that are energy-intensive or polluting (no calcination, aqueous electrode synthesis and preparation). The possibility of using graphite as an anode material has often been reported in the literature as an advantage of potassium ion technology over sodium ion technology. However, inserting charged potassium into the negative electrode results in a volume expansion of graphite of the order of 60%. This increase in volume is likely to be prohibitive for the manufacture of large-scale electrochemical cells. The aim of the proposed thesis is to study this problem from several angles: - Use of graphite: several grades of graphite will be finely characterized in order to define the optimum properties for achieving good electrochemical performance with potassium. In parallel, an aqueous graphite formulation study will be carried out to improve the response of the final electrode to the expansion of the anode material during potassium insertion. - Compounds from the hard carbon family will also be evaluated as possible graphite substitutes. - Further upstream research will be carried out to synthesize new oxide or hybrid compounds enabling potassium insertion and de-insertion with minimal volume expansion. All these materials will initially be developed in small cells, then the research will rapidly evolve towards the implementation of a complete system, with adjustments to the electrolyte certainly to be expected in the second year.