Stockage Électrochimique de l’Énergie : Batteries M-ion

Mots-clés

  • Batteries M-ion
  • Calculs théoriques de spectres Raman
  • Corrélations structure/propriétés
  • Électrochimie du solide
  • Électrolytes aqueux/organiques /solides
  • Fatigue structurale
  • Matériaux d’insertion/conversion/alliage
  • Microbatteries
  • Propriétés/performances électrochimiques
  • Spectroscopie Raman
  • Synthèse inorganique

Responsable(s)

Membres

Activités scientifiques

La question énergétique est au cœur des préoccupations internationales, 80% de l’énergie produite étant d’origine carbonée et contribuant aux deux tiers des émissions de GES. Une transition énergétique vers l’utilisation massive des énergies renouvelables est en cours et les batteries sont considérées comme un outil de stockage privilégié de ces énergies. Récompensée par le Prix Nobel de Chimie 2019, la technologie Li-ion est très largement dominante depuis sa découverte. Cependant, afin de répondre au besoin accru de batteries plus rapides, plus endurantes, plus écologiques et moins couteuses, la recherche mondiale s’intensifie en direction de nouvelles technologies alternatives au Li-ion.

La recherche du groupe BATTion, centrée sur la synthèse de nouveaux matériaux d’électrode pour batterie Li-ion et la compréhension des mécanismes mis en jeu lors de leur fonctionnement, s’inscrit parfaitement dans ce contexte mondial. Nos travaux reposent sur des compétences en synthèse inorganique, cristallochimie, spectroscopie Raman et électrochimie. Le couplage d’études structurale ex situ /operando des matériaux d’électrode avec les données électrochimiques est une marque originale du groupe. Nous étudions les modifications des propriétés des matériaux d’électrode au cours du cyclage (structure, processus redox, propriétés de transport, liaison chimique …)  afin d’identifier les mécanismes réactionnels, optimiser les matériaux existants et proposer des nouveaux matériaux plus performants. L’étude cinétique des réactions d’insertion par spectroscopie d’impédance complexe, rarement développée dans le domaine, complète la description des mécanismes. Ainsi, nos travaux ont permis d’élucider le rôle de la structure, de l’orientation, de la morphologie, des lacunes cationiques, des types de sites cristallographiques, de la porosité, de la taille de particules sur les performances électrochimiques. Plus récemment, notre groupe travaille sur le développement de nouveaux matériaux pour des batteries alternatives au Li-ion (Na, K, Zn-ion, batteries aqueuses).

Dans un secteur de recherche très concurrentiel sur le plan international et national, notre recherche est bien identifiée pour les raisons suivantes:

  • Notre expertise dans l’étude des changements structuraux par spectroscopie Raman. L’interprétation des spectres Raman est une tâche complexe, d’où une pauvreté des données de la littérature. Le niveau d’analyse renforcé et unique que nous avons pu proposer repose sur le couplage expérience-calculs et le développement de méthodes DFT permettant de simuler les spectres Raman (grâce à une collaboration pérenne avec des chercheurs théoriciens, 13 publications communes depuis 2004).
  • Nos compétences historiques sur le système des oxydes de métaux de transition. Notre groupe possède une forte expertise sur de nombreuses structures hôtes utilisées comme électrodes positives et nous permet d’être leader dans le domaine de la synthèse, la structure et l’électrochimie des polymorphes variés des oxydes de vanadium, de titane et de manganèse. Ceci nous positionne favorablement pour le développement de positives pour des nouvelles générations de batteries (Na/K/Zn-ion) dans le domaine non aqueux et aqueux.
  • Notre savoir-faire dans la chimie et l’électrochimie des nitrures de métaux de transition. Contrairement aux nombreux travaux sur des nitrures via des réactions de conversion avec une faible durée de vie, nous avons démontré l’insertion réversible du lithium dans des nitrures ternaires utilisés comme négatives avec une excellente durée de vie. L’originalité de ces nitrures est de permettre des valences élevées (de +5 à +7 pour le Mn) à des potentiels très bas (0.7 à 1.2 V). Une collaboration industrielle est en cours avec Renault dans le but de constituer une alternative à la négative traditionnelle d’oxyde de titane lithié.

Illustrations

Batteries Li-ion et au delà
Batteries Li-ion et au delà
Spectroscopie Raman - Calculs théoriques
Spectroscopie Raman - Calculs théoriques
Corrélations structure électrochimie
Corrélations structure électrochimie

Faits-marquants