Vers des batteries électriques plus sûres

Le projet se propose d’explorer le potentiel d’un certain nombre de verres sulfures, susceptibles d’atteindre les spécifications requises afin d’être utilisés comme électrolytes dans de futures batteries sans risque et plus sûres, le but ultime du projet étant le développement de batteries « tout solide » au sodium. Pour atteindre cet objectif, il est nécessaire :

• d’identifier par différentes méthodes de caractérisation un électrolyte solide dont la conductivité doit dépasser à l’ambiante 10-4 ohm-1.cm-1) et doit être stable chimiquement ;
  
• de l’intégrer dans une batterie avec des électrodes sélectionnées par un choix raisonné ;
• de pouvoir fabriquer un prototype.

L’utilisation d’un électrolyte solide non inflammable apparaît comme une alternative prometteuse aux solvants organiques utilisés actuellement comme électrolytes liquides. De surcroit, comme il s’agit d’une technologie plus sûre, le besoin en systèmes complexes de gestion de la batterie tout-solide (dont des capteurs de température) devient moins impérieux ce qui aboutira à une réduction du poids avec aussi l’espoir d’augmenter substantiellement les performances en matière de densité d'énergie, de vitesse de charge ou d’autonomie.

On signalera au passage que les verres ont la propriété remarquable d’avoir de faibles coefficients de dilatation et que ceux à base de soufre présentent les conductivités ioniques les plus élevées. On gardera également à l’esprit que l’utilisation de verres est susceptible de révolutionner la filière batterie en raison de leur qualité importante de recyclage. Enfin, la question de l’approvisionnement en lithium est également au cœur du secteur industriel des batteries puisqu’il est reconnu que les ressources mondiales sont limitées.

Cette technologie repose sur l’utilisation d’un électrolyte solide devant être à la fois conducteur d’ions Li+ et isolant électrique afin d’éviter tout court-circuit, et d’électrodes composites.

Méthodologie – Matériaux

Le développement d’une batterie “tout solide” demande à la fois un approfondissement des connaissances sur l’électrolyte pour augmenter sa conductivité, et sur l’interface permettant d’envisager des électrodes adaptées de manière raisonnée. Le projet se concentrera sur deux principaux systèmes vitreux ayant des conductivités élevées, (Na2S)x(GeS2)100-x et (Na2S)x(SiS2)100-x avec différentes teneurs x en sodium.

Le projet abordera le développement de batteries sûres au sodium à la fois par des approches fondamentales et technologiques. En premier lieu, nous s'agira de caractériser les verres conducteurs ioniques à base de Na2S en combinant des simulations (moléculaires) numériques avec des techniques expérimentales de pointe :

• propriétés électriques par Spectroscopie d‘Impédance Complexe ; informations sur les propriétés de transport du verre, la conductivité électrique et l’énergie d’activation ;
• propriétés thermiques par nano-calorimétrie à pouce ; informations sur la stabilité du verre, le vieillissement, la température de transition vitreuse et la cristallisation) ;
• propriétés mécaniques par Dynamique Mechanical Analyser ; informations sur les propriétés élastiques du verre, la réponse au stress mécanique, les processus de relaxation structurelle et le vieillissement ;
• caractérisation structurale et diffusivité ionique par diffraction des neutrons ; informations sur la coordination des atomes et leur évolution en température, validation de modèles
• mobilité ionique : par diffusion inélastique des neutrons et corrélation des photons des rayons x ; information sur la diffusivité ionique et sur les processus des relaxation qui contrôlent les propriétés macroscopiques des verres

Méthodologie – Intégration dans des batteries tout solide au sodium

La dernière étape visera le développement et l’évaluation d’une batterie tout solide incluant le(s) meilleur(s) électrolyte(s) sulfure(s) développé(s) dans les étapes précédentes. Les électrodes devront être optimisés en termes de composition (nature et quantité de l’additif électronique, quantité d’électrolyte) et de méthode d’homogénéisation. Deux types d’assemblages seront mis en œuvre (assemblage à froid et/ou par frittage flash).

Des matériaux d’électrodes positives et négatives sont déjà identifiés et envisagés, caractérisés déjà en électrolyte liquide dans des batteries Na-ion. Des travaux préparatoires ont été effectués pour vérifier la faisabilité de la démarche.