Ecole Doctorale

SCIENCES CHIMIQUES - Marseille

Spécialité

Sciences Chimiques

Etablissement

Aix-Marseille Université

Mots Clés

polymères ioniques,électrolytes hybrides,batterie lithium,,

Keywords

ionic polymers,hybrid electrolytes,lithium battery,,

Titre de thèse

Synthèse et caratérisation des électrolytes solides hybrides pour les batteries lithium métal
Synthesis and characterization of solid hybrid polymer electrolytes for lithium metal batteries

Date

Friday 4 February 2022

Adresse

Campus Scientifique Saint Jérôme 52 avenue Escadrille Normandie Niemen Salle des Actes

Jury

Directeur de these Mme Trang PHAN Aix Marseille Université
Rapporteur M. Doru CONSTANTIN Université de Strasbourg
Rapporteur Mme Stéphanie DEGOUTIN Université de Lille
Examinateur Mme Cristina IOJOIU Université de Grenoble Alpes
Examinateur M. Fabrice COUSIN Laboratoire Léon Brillouin - CEA Saclay
Examinateur M. David GROSSO Université d’Aix Marseille
CoDirecteur de these M. Didier GIGMES Université d’Aix Marseille

Résumé de la thèse

Les problématiques engendrées par l’extraction et l’utilisation intensives des ressources fossiles ont forcé l’humanité à se tourner vers le développement d’énergies renouvelable et de mode de transport alternatifs tels que les véhicules électriques. Cependant, ces technologies doivent être couplé à des moyens de stockage de l’énergie efficace pour exploiter leurs pleins potentiels. Ainsi, parmi les différentes technologies de batterie, les systèmes embarquant une anode de lithium métallique, appelée technologie lithium métal, sont particulièrement intéressants puisqu’ils présentent une densité d’énergie très élevée. Cependant, cette technologie souffre principalement de la formation de dendrite de lithium métallique pouvant déclencher des courts-circuits provoquant l’explosion du dispositif. Ainsi, de nombreux efforts ont été consacrés à l’élaboration d’électrolytes solides polymères (SPE) à base de poly(oxyde d'éthylène) (POE) permettant de constituer une barrière physique qui inhibe la croissance dendritique tout en préservant les propriétés de conduction ionique élevées. Cependant, de nos jour, force est de constater qu’aucun SPE de la littérature ne peut répondre à ces critères à température ambiante. Pour cause, la conductivité ionique des SPE à base de POE décroit fortement avec la température. A l’heure actuelle, les meilleurs SPE de la littérature nécessiterai de fonctionner à 60 °C, ce qui signifie qu’une partie de l’énergie de la batterie sera détourné de son utilisation pour maintenir cette haute température. C’est dans ce contexte que s’inscrit ce travail de thèse. Ainsi, l’objectif principal est de concevoir un SPE permettant le fonctionnement de la technologie de batterie au lithium métal à température ambiante. Ces SPE doivent présenter une conductivité ionique élevée à température ambiante (≈ 10-4 S.cm-1) et des propriétés mécaniques permettant l’inhibition du phénomène de croissance dendritique. Pour cela, les objectifs du projet sont focalisés sur le développement de nouveaux SPE nanocomposites (polymère/nanocharge) et hybrides (organique/inorganique). Pour cela, le greffage de POE à la surface de nanoparticules de silice via « grafting to » sera tout d’abord étudié dans le but de compatibiliser l’interface renfort/matrice. Ces nanoparticules greffées seront par la suite dispersées dans différentes matrices de POE pour la préparation de nanocomposites. La caractérisation fine de l’état de dispersion ainsi que des propriétés thermiques, mécaniques et électrochimiques sera effectué dans le but d’améliorer notre compréhension de ces systèmes complexes. Dans un second temps, nos travaux se porterons sur la synthèse et la caractérisation d’un nouveau type de SPE hybride « single-ion » au propriétés prometteuses pour les batteries au lithium métallique.

Thesis resume

The problems caused by the intensive extraction and use of fossil resources have forced mankind to turn to the development of renewable energy and alternative modes of transportation such as electric vehicles. However, these technologies need to be coupled with efficient energy storage means to exploit their full potential. Thus, among the different battery technologies, the one using lithium metal in the anode, called lithium metal technology, is particularly interesting since it has a very high energy density. However, this technology suffers mainly from the formation of lithium metal dendrite which can trigger short circuits causing the explosion of the device. Thus, a lot of effort has been devoted to the development of Solid-State Polymer Electrolytes (SPE) based on polyethylene oxide (POE) to provide a physical barrier that inhibits dendrite growth while preserving high ionic conduction properties. However, today, no SPE in the literature can meet these criteria at room temperature. This is because the ionic conductivity of POE-based SPEs decreases sharply with temperature. At present, the best SPEs in the literature would need to operate at 60°C, which means that some of the energy in the battery will be diverted from its use to maintain this high temperature. In this context, the main objective of this thesis is to design an SPE allowing the operation of lithium metal battery technology at room temperature. These SPEs must have a high ionic conductivity at room temperature (≈ 10-4 S.cm-1) and mechanical properties allowing the inhibition of the dendritic growth phenomenon. To achieve this, the objectives of the project are focused on the development of new nanocomposite (polymer/nanofiller) and hybrid (organic/inorganic) SPEs. First, the grafting of POE on the silica nanoparticles surface via "grafting to" will be studied with the aim of improving the reinforcement/matrix interface. These grafted nanoparticles will then be dispersed in different POE matrices for the preparation of nanocomposites. The fine characterisation of the dispersion state as well as the thermal, mechanical, and electrochemical properties will be performed to improve our understanding of these complex systems. Second, we will focus on the synthesis and characterisation of a new type of single-ion hybrid SPE with promising properties for lithium metal batteries.