Matériaux d’électrodes pour batteries de puissance

Le projet HiPoHyBat s’est fixé pour objectif de développer des batteries durables, sûres, à faible coût et combinant densité de puissance et d’énergie. Une seule approche utilisant des voies de synthèse classiques pour les matériaux d’électrode est forcément réductrice et dès sa genèse, le projet avait envisagé des stratégies plus innovantes mais plus risquées pour atteindre les objectifs fixés. Après 3 ans, l’ensemble de ces voies de recherche portent leurs fruits et loin d’être en compétition, les synergies commencent à émerger avec des résultats convaincants. La bataille entre Classiques et Modernes n’aura pas lieu !¹

Ces synergies peuvent être illustrées à travers deux exemples. Concernant les batteries Na-ion de puissance, l’étude des paramètres contrôlant les mécanismes de transport a permis d’optimiser la composition d’un oxyde lamellaire et de stabiliser les deux polymorphes de type O présentant de bonnes densité d’énergie, celui de type P apportant la puissance.² Les premiers tests d’association de ces polymorphes (mélange, inter-croissance) démontrent l’existence d’un effet de couplage sur les performances sans toutefois améliorer la stabilité à haut potentiel dont l’origine est en cours d’étude par des techniques de caractérisations operando avancées. L’approche association de matériaux poursuivi cette fois au niveau de l’électrode négative (mélange Hard Carbon/Na2Ti3O7)³ a été poursuivie et le verrou lié à la faible conduction électronique de l’oxyde levé par l’optimisation d’un dépôt d’un revêtement de carbone obtenu par dépôt chimique en phase vapeur (CVD). Les électrodes composites ainsi préparées présentent une amélioration notable des densités d’énergie, notamment volumiques, par rapport au simple mélange des matériaux actifs. L’électrolyte reste un élément clé pour faire fonctionner la batterie, et une formulation optimisée a été proposée, permettant d’augmenter la cyclabilité des cellules.

Concernant les synthèses moins classiques, les approches se sont portées sur des préparations de carbones dopées à l’azote par templating⁴, à travers des fonctionnalisations de surface, et par l’introduction de défauts par voie chimique ou par implantation ionique et irradiation dans des matériaux existants. Cette dernière approche a été menée avec succès au GANIL de Caen (Grand accélérateur National d’Ions Lourds), sur plus d’une vingtaine de composés (Figure 1). Les modifications des propriétés structurales, microstructurales et électrochimiques ont été étudiées pour plusieurs matériaux d’électrodes, montrant une forte dépendance selon le degré d’irradiation. Des premiers succès sur la modulation de la puissance ont été obtenus sur des films minces de nitrure de vanadium⁵. Les matériaux d’électrodes de batteries Na-ion montrent une augmentation des performances en puissance dans un premier temps, suivie d’une dégradation de la cristallinité et du comportement électrochimique avec des doses d’ions plus importantes. Les études se poursuivent sur les oxydes de type O3 et P2, différents types de carbones, les MXènes, etc.

Ainsi, l’ensemble des stratégies proposées permet de se rapprocher des performances visées pour les batteries sodium-ion de puissance et les batteries hybrides.