Électrolytes polymères nanoporeux pour des batteries Lithium-métal

Nanoporous polymer electrolytes for lithium-metal batteries

• Auteur / Autrice : Abdoul aziz Ka
• Direction : Damien Quemener
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Chimie et Physico-Chimie des Matériaux
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2025
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences Chimiques
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IEM - Institut Européen des Membranes

Mots clés

Mots clés libres

Electrolytes copolymères à bloc

Auto-assemblage

Conductivite ionique

Polymères nanoporeux

Block copolymer electrolyte

Self-assembly

Ionic conductivity

Nanoporous polymers

Résumé

La transition vers des batteries plus sûres et plus performantes impose la mise au point de nouveaux électrolytes solides. Le lithium métal est considéré comme l'anode la plus prometteuse grâce à sa capacité spécifique environ dix fois supérieure à celle du graphite dans les batteries Li-ion, ouvrant ainsi la voie à des dispositifs de très haute densité énergétique. Cependant, les électrolytes polymères solides, bien que plus sûrs et flexibles, souffrent d'une conductivité ionique trop faible à température ambiante et d'un nombre de transport du lithium limité (t+ < 0,2). Ces limitations favorisent la formation de gradients de concentration, à l'origine de dépôts dendritiques, pouvant entraîner des courts-circuits et réduire la durée de vie de la batterie. Au-delà des performances électrochimiques, la sécurité des batteries tout solide dépend également d'une conductivité ionique suffisante. Une conductivité élevée réduit l'impédance interne et améliore les interfaces électrolyte/électrodes, limitant ainsi la génération de chaleur lors des cycles de charge/décharge, en particulier à fortes densités de courant. Pour répondre à ces défis, ce projet de thèse vise à développer de nouveaux électrolytes polymères nanoporeux à conduction ionique unidimensionnelle. Ils seront élaborés à partir de copolymères à blocs dont l'un des blocs est dégradable et s'auto-organise en une morphologie cylindrique. Les canaux ainsi formés, orientés perpendiculairement aux électrodes et remplis d'électrolyte non aqueux, permettront de créer des chemins de conduction dirigés. Grâce au nano-confinement et à une chimie de surface adaptée, ces matériaux devraient combiner une conductivité ionique comparable aux électrolytes liquides, un nombre de transport proche de 1 et une flexibilité mécanique suffisante pour accompagner les déformations de la batterie.

The development of safer and higher–energy-density batteries requires the design of new solid electrolytes. Lithium metal is regarded as the most promising anode material due to its high specific capacity, which enables the fabrication of devices with very high energy densities. However, while solid polymer electrolytes offer improved safety and design flexibility, they suffer from low ionic conductivity at room temperature and a limited lithium-ion transference number (t⁺ < 0.2). These drawbacks promote the formation of concentration gradients, which in turn trigger dendritic growth, leading to short-circuiting and reduced battery lifetime. Beyond electrochemical performance, battery safety critically depends on achieving sufficiently high ionic conductivity. A solid electrolyte with low internal impedance and stable electrode interfaces can minimize heat generation during cycling—particularly under high current densities—thereby enhancing both durability and safety. To address these challenges, this doctoral project aims to develop innovative nanoporous polymer electrolytes with one-dimensional ionic conduction. These materials will be synthesized from block copolymers containing a degradable block that self-assembles into cylindrical morphologies. The resulting nanochannels, oriented perpendicularly to the electrodes and filled with non-aqueous electrolyte, will provide directed conduction pathways. By combining nanoconfinement effects with tailored pore surface chemistry, these electrolytes are expected to achieve ionic conductivities comparable to liquid electrolytes, a lithium-ion transference number close to 1, and sufficient mechanical flexibility to accommodate battery deformations.