Mise au point de batteries organiques usant d’électrolytes solides
(Projet-ANR-18-CE05-0018)

Octobre 2018 - Août 2023

Partenaire IMN du projet : Philippe POIZOT  (équipe ST2E)

Coordinateur :
Glycochimie, des Antimicrobiens et des Agroressources (LG2A Amiens)
Partenaires :
Institut des sciences analytiques et de physico-chimie pour l'environnement et les matériaux (IPREM Pau)
Laboratoire de Réactivité et Chimie des Solides (LRCS Amiens)

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Le projet de recherche fondamentale DEOSS vise à développer l’utilisation d’électrolytes solides dans le domaine des batteries organiques. DEOSS se trouve donc à la croisée de différentes problématiques, à savoir : i) le développement de moyens sûrs, efficaces et éco-compatibles pour stocker réversiblement l’énergie électrique, ii) la mise en œuvre, à ces fins, des matériaux d’électrode organiques et iii) l’utilisation d’électrolytes solides. Le développement de matériaux organiques électroactifs (MOEs) et leur implémentation en tant que matériaux d’électrodes dans des batteries secondaires connaissent un renouveau prononcé depuis le début des années 2000. En effet, en parfaite adéquation avec les préoccupations environnementales et énergétiques d’aujourd’hui, les MOEs offrent des possibilités différentes de leurs homologues inorganiques. Les MOEs composés d’éléments abondants (C, H, O, N), présentent souvent des réactions électrochimiques multi-électroniques, ils offrent de larges possibilités quant au design (différentes configurations de cellules sont possibles) et à la flexibilité physique des cellules. Enfin les MOEs sont considérés comme un moyen possible de diminuer l’impact environnemental des batteries et également d’offrir une recyclabilité accrue. Cependant, l’assemblage de batteries organiques reste limité encore aujourd’hui. En particulier, l’utilisation des MOEs de faibles masses molaires qui présentent les capacités spécifiques les plus importantes, est souvent stoppée par leur solubilité marquée dans les électrolytes liquides conventionnels. D’autre part dans le domaine des batteries secondaires, l’usage d’électrolytes solides se développe rapidement car ils permettent une sécurité accrue pour les accumulateurs et offrent la possibilité d’utiliser en tant qu’électrode négative le lithium métal. Nous proposons donc de façon assez originale de combiner ces deux domaines de recherches modernes. En effet, le projet DEOSS mettra à profit ces MOEs à haute potentialité en recourant à une jonction ionique solide. Pour mener à bien ce projet ambitieux, nous avons réunis un consortium français de spécialistes, à la fois des MOEs et des électrolytes solides en associant le LG2A (Amiens), l’IMN (Nantes), le LRCS (Amiens) et l’IPREM (Pau). L’approche scientifique que nous avons adoptée nous permettra d’évaluer différentes configurations de cellules basées sur des électrodes organiques. Nous testerons, d’une part, la mise en œuvre de MOEs avec des électrolytes solides de types sulfures, classiquement utilisés dans le domaine, dans des configurations MOE/Li puis MOE/MOE. D’autre part, nous nous emploierons à préparer et évaluer de nouveaux matériaux organiques capables d’assurer la jonction ionique à l’état solide, de type structures organiques covalentes ioniques et lamellaires. Nous assemblerons ensuite des cellules de nouveau avec une configuration MOE/Li puis MOE/MOE en utilisant les meilleurs de ces nouveaux électrolytes solides organiques. Cette stratégie sera associée à une étude systématique des interfaces issues de nos cellules tests à l’aide des savoirs faires et des équipements dont disposent nos équipes (RS2E, LRCS, LG2A, IPREM, IMN). Ces études croisées (SEM, STEM EELS, XPS, ToF-SIMS) nous guideront vers l’amélioration de nos cellules. Finalement ce plan de travail nous permet d’envisager l’obtention de batteries organiques (Li à la négative) tout-solide caractérisées par une densité d’énergie de ~ 50 Wh/kg, avant optimisation.