Développement de matériaux hybrides pour batterie tout solide

Developing Hybrid Materials for all solid state battery

• Auteur / Autrice : Ion Ghilescu
• Direction : Christel Laberty-robert, Jean-Marie Tarascon
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique et chimie des matériaux
• Date : Inscription en doctorat le 01/11/2024
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Chimie de la matière condensée de Paris

Mots clés

Mots clés libres

Batterie tout solide

Electrodes composites

Réactivité

Solid state battery

Composite electrodes

Reactivity

Résumé

Le développement de batteries ''tout solide'', sans liquide ni polymère, représente un défi technologique majeur, nécessitant des percées dans la conception des interfaces et des méthodes d'assemblage. Pour répondre aux besoins industriels à court terme, des compromis, comme l'ajout d'électrolytes plastifiés (ionogels) ou de faibles quantités de liquide, sont explorés, bien que ces solutions entraînent une baisse de performance par rapport aux batteries Li-ion classiques. Malgré ces ajustements, il est essentiel de maintenir l'objectif à long terme d'une batterie entièrement solide, inscrite sur les feuilles de route internationales. Nos résultats récents sur de petites cellules montrent un potentiel prometteur avec des densités de charge de 10 à 16 mg/cm². Forts de cette expertise, notre ambition est de concevoir des prototypes de batteries tout solide, en optimisant les électrodes positives et les électrolytes. L'objectif de ce travail de thèse sera de synthétiser par des méthodes originales, basse température des électrodes positives efficaces. Elles seront à base d'halogénure, de C et de NMC. L'idée est de contrôler les interfaces solide/solide. Nous étudierons également comment cette électrode pourra s'interfacer avec un électrolyte hybride composé d'argyrodite et de polymère. La pression pourra être contrôlée, mais elle devra restée compatible avec l'intégration d'une électrode négative à base de Li, métal. La première année de thèse sera dédiée à la fabrication de l'électrode composite et à sa caractérisation. On s'intéressera en particulier à comprendre la réactivité entre l'halogénure, la NMC et le C. Différents outils de caractérisation seront utilisés comme la RMN, la diffraction des rayons X et l'XPS. La caractérisation électrochimique de l'électrode se fera également en demi-cellule. La deuxième année sera consacrée au contrôle de l'interface électrode/électrolyte. Plusieurs assemblages seront envisagés, comme par exemple l'utilisation d'électrolyte bi-couche. Enfin, la dernière année de ce projet de thèse, sera dédiée à la conception d'un prototype de 1 A/cm² et à sa caractérisation.

The development of ''all-solid'' batteries, without liquids or polymers, represents a major technological challenge, requiring breakthroughs in interface design and assembly methods. To meet short-term industrial needs, compromises such as the addition of plasticized electrolytes (ionogels) or small amounts of liquid are explored, although these solutions result in lower performance compared to conventional Li-ion batteries. Despite these adjustments, it is essential to maintain the long-term objective of a fully solid battery, as outlined in international roadmaps. Our recent results on small cells show promising potential with loading densities of 10 to 16 mg/cm². With this expertise, our ambition is to design prototypes of solid batteries, optimizing positive electrodes and electrolytes. The objective of this thesis will be to synthesize by original, low temperature methods effective positive electrodes. They will be based on halides, C and NMC. The idea is to control solid/solid interfaces. We will also study how this electrode can interface with a hybrid electrolyte composed of argyrodite and polymer. The pressure can be controlled, but it must remain compatible with the integration of a Li metal negative electrode. The first year of the thesis will be dedicated to the manufacture of the composite electrode and its characterization. The main focus will be on understanding the reactivity between halogens, NMC and C. Different characterization tools will be used such as NMR, X-ray diffraction and the XPS. The electrochemical characterization of the electrode will also be done in half-cell. The second year will be devoted to the electrode/electrolyte interface. Several Assemblies will be considered, such as the use of bi-layer electrolytes. Finally, the last year of this thesis project will be dedicated to the design of a prototype of 1 A/cm² and its characterization.