Bernard Lestriez, Thomas Devic, Nicolas Dupré, Philippe Moreau

Le silicium est très étudié dans le but d’augmenter la capacité de l’électrode négative des batteries lithium-ion, en le substituant au graphite ou en le mélangeant avec le graphite. Cependant, la réaction d’insertion du lithium (formation d’alliages jusqu’à la composition Li₁₅Si₄) produit des variations de volumes (gonflement et dégonflement) qui diminue drastiquement la cyclabilité des électrodes à base de silicium. Nos travaux explorent différentes directions : (i) la formulation des électrodes et la recherche de nouveaux liants plus performants, notamment faisant appel à la chimie de coordination ; (ii) l’étude des mécanismes de vieillissement en cyclage aux différentes échelles de l’électrode par tomographie RX in situ et FIB/SEM, microscopie optique et dilatométrie operando, RMN MAS, XPS, EELS, TOF-SIMS, en collaboration ; (iii) la recherche de nouveaux électrolytes en collaboration.

Philippe Poizot, Joël Gaubicher, Stéven Renault, Thomas Devic, Eric Quarez

Pour répondre aux enjeux de développement durable dans le domaine de la gestion de l’énergie électrique, il est urgent d’apporter des solutions technologiques éco-responsables. Cette thématique de recherche vise principalement à la conception, l’élaboration et la caractérisation de nouveaux matériaux d’électrode organiques et hybrides pour un stockage électrochimique de l’énergie plus respectueux de l’environnement. En particulier, l'accent est mis sur le développement de composés électroactifs organiques innovants potentiellement biosourcés et capables d’insérer aussi bien des cations (système n) que des anions (système p) dans divers milieux électrolytiques. Notre savoir-faire en ingénierie moléculaire organique et en électrochimie (à l’état solide et en solution) nous permet aussi de proposer des solutions pour différentes technologies de batteries (sels sacrificiels, électrocatalyse, …).

Bernard Lestriez, Nicolas Dupré, Philippe Moreau, Thomas Devic, Philippe Poizot, Joël Gaubicher, Patrick Soudan

Pour fonctionner correctement comme électrode, le matériau actif doit être formulé avec un liant polymère et un agent conducteur électronique. Ceux-ci doivent rester en quantité faible dans l'électrode afin de ne pas trop diminuer la densité d'énergie de la batterie. Cette thématique consiste donc à déterminer la combinaison d'additifs optimale pour atteindre les meilleures performances du matériau actif, et accroître les densités d’énergie volumiques et massiques des accumulateurs. Cet objectif technologique nécessite d’analyser l’influence de la composition et du procédé d’élaboration de l’électrode sur sa microstructure et ses propriétés, de comprendre l’ensemble des interactions entre les différents constituants de l’électrode, et requière une approche multidisciplinaire et multi-échelle avec le développement de techniques de caractérisations pointues, tant les électrodes sont des matériaux composites complexes.

Florent Boucher, Nicolas Dupré, Thomas Devic, Joël Gaubicher, Philippe Moreau

La caractérisation électrochimique de batteries (cyclage, mesures d’impédance, coulométrie…) est essentielle pour identifier les matériaux les plus à même de répondre aux performances souhaitées. Pourtant, la chimie impliquée dans les processus, fréquemment complexes, est difficilement accessible par ces techniques. Leur compréhension fine nécessite souvent des modélisations/simulations ad hoc mais aussi des techniques de caractérisations avancées comme certaines spectroscopies. Nous avons plus particulièrement concentré notre recherche sur les modélisations/simulations grâce à des programmes issus de la DFT ainsi que sur les spectroscopies RMN du solide et EELS dans un microscope électronique en transmission.
Ces développements ont en fait une portée plus générale et peuvent être appliqués à d’autres matériaux et c’est ce que font aussi les chercheurs de la thématique en collaboration avec d’autres équipes de l’IMN ou d’autres laboratoires français ou internationaux.

Bernard Lestriez, Philippe Poizot

Nous avons créé une salle de prototypage permettant la fabrication de petites cellules poches, dont les performances électrochimiques sont plus directement transposables à l’échelle industrielle comparativement à l’usage de cellules de type Swagelok® et autres piles boutons. Nous maîtrisons maintenant cette technologie d’assemblage de batterie pour des empilements simples. Cette salle est utilisée pour les activités du laboratoire commun ARMOR/IMN, pour nos travaux de recherche (thèses, post-docs) et d’enseignement au niveau Master. En complément, nous développons une activité de prototypage à la demande pour l’évaluation de matériaux de batterie. 

Bernard Lestriez, Philippe Poizot, Joël Gaubicher, Nicolas Dupré

Ce sujet est centré sur l’étude, la compréhension et la génération de connaissances nouvelles au sujet de l’interface électrode/collecteur pour les nouvelles générations de batteries Li-ion. Il est développé en collaboration avec l’entreprise ARMOR, dans le cadre du laboratoire commun DEFIER, soutenu par l’ANR (2015-2019) puis par l’Isite NExT (2021-…). Les recherches contribuent au développement de nouveaux collecteurs de courant revêtus qui permettent d’améliorer l’interface avec les électrodes (augmentation de l’adhérence, diminution de la résistance de contact, augmentation de la stabilité électrochimique) et les performances en batterie. 3 thèses ont contribué : C. Busson « Collecteurs de courant revêtus pour batteries Li-ion et supercondensateurs » (2017) ; C. Bizot « Collecteurs de courant revêtus pour batteries lithium-ion à haut potentiel de fonctionnement » (2020), et C. Meyssonier « Optimisation d’anodes à base de silicium et étude des interfaces électrode/collecteurs nus et revêtus » (en cours).