
HIPOBAT
Batteries de puissance tout-solide
Aperçu
Batteries innovantes tout-solide de forte puissance sodium-ion et lithium-ion
Dr. Mathieu MORCRETTE UMR LRCS (CNRS – Université de Picardie Jules Verne)
Pr. Olivier GUILLON Institute of Energy and Climate Research (FZJ)
L’objectif de ce projet franco-allemand est de mettre au point des batteries de forte puissance permettant des charges et décharges rapides, tout en conservant une densité d’énergie adéquate. Les recherches se concentreront sur la diffusion rapide des ions et des électrons pendant la charge et la décharge, ainsi que sur la gestion thermique des cellules. De nouveaux matériaux et de nouvelles conceptions de cellules, ainsi qu’une meilleure compréhension des phénomènes de vieillissement, associés à des travaux de caractérisations et de modélisations avancées, aboutiront à la découverte de batteries tout-solides performantes à base de lithium et de sodium. Différentes applications sont visées dans ce projet : véhicule électrique, petits équipements portables, système de stockage stationnaire…
Mots-clés
Batteries de puissance, densité d’énergie élevée, tout-solide, Sodium-ion, Lithium-ion, nouveaux matériaux, architecture
Les tâches
Nos recherches
Travaux sur les structures cristallographiques
A l’échelle des structures cristallographiques, les travaux porteront sur la synthèse et la caractérisation de matériaux d’intercalation et de conversion du lithium et du sodium pour les électrodes positives et négatives avec pour objectif d’améliorer leurs conductivités ionique et électronique. Des nouveaux matériaux d’électrolytes seront également développés au moyen d’une sélection systématique de matériaux conducteurs les plus performants, de leur couplage avec les matrices polymères les plus compatibles et de l’introduction d’additifs fonctionnels adaptés. La dernière étape consistera à synthétiser des matériaux avec une composition et une morphologie optimisées à l’échelle de plusieurs centaines de grammes pour la réalisation des premiers prototypes.
Travaux sur les structures d’électrodes
La composition des électrodes, leur épaisseur, leur porosité et leur tortuosité seront optimisés afin d’identifier le meilleur compromis entre énergie et puissance. Les collecteurs de courant seront également améliorés et l’opportunité d’adopter un système sans anode (avec des électrolytes à base de Li et de Na) sera évaluée. Un travail d’équilibrage des matériaux à l’échelle de la cellule permettra d’intégrer au mieux les résultats des études effectuées sur les différents composants et notamment de réduire au minimum les réactions parasites. Dans le cas des cellules tout-solides, les avantages du format bipolaire seront examinés.
Design des cellules
Les travaux sur le design des cellules seront menés par des laboratoires expérimentés dans la conception des processus compatibles avec une production à l’échelle industrielle. Les prototypes seront produits sur différentes lignes pilotes en France et en Allemagne. D’abord, plusieurs modèles de cellules avec des électrolytes à base de Li et de Na correspondant aux applications sélectionnées seront conçus et fabriqués. Différents processus de fabrication seront évalués en termes de structure des électrodes, de potentiel à être transféré vers un processus industriel et de leur impact économique et écologique. Au moins 20 cellules par design retenu seront fabriquées pour réaliser des tests à différentes températures. Etant donné que les applications à haute puissance nécessitent un contrôle parfait de l’auto-échauffement de la batterie, des capteurs thermiques seront installés à l’intérieur des cellules très tôt dans le projet. Les données mesurées lors des tests électrochimiques seront utilisées pour développer un modèle thermique et élaborer des stratégies de refroidissement. Les produits finaux de ce projet seront 2 ou 3 batteries pour équipements portables réunissant les meilleurs résultats des études aux différentes échelles.
Performances des cellules
Les propriétés électriques, thermiques et de durée de vie spécifiques des cellules de haute puissance produites seront mesurées et comparées à celles à l’état de l’art. Les tests seront réalisés sur des cellules à l’échelle du laboratoire sur la base d’indicateurs de performance clés sélectionnés. Une attention particulière sera dévouée à l’étude de la relation entre chargement rapide et vieillissement. Ces tests alimenteront un modèle de vieillissement électrique-thermique qui pourra être utilisé pour les algorithmes BMS et aussi pour la définition de systèmes de stockage.
Caractérisation et modélisation
Les travaux de caractérisation et de modélisation seront menés en parallèle avec les 4 tâches détaillées ci-dessus afin d’accroître leur efficacité et leur étendue. Des travaux de caractérisation avancée (particulier tomographie, caractérisation in-situ, analyses post-mortem) permettront de comprendre le fonctionnement des batteries plus en détail, notamment les propriétés de transport du lithium dans les porosités et les dégradations des interfaces électrodes/électrolytes causées par des réactions parasites liées au chargement rapide. Les techniques in situ et operando qui sont déjà déployées dans plusieurs laboratoires du consortium seront adaptées aux batteries à charges rapides. Des travaux de modélisation seront également effectués. Un modèle multiéchelle multiphysique sera développé depuis l’échelle microscopique jusqu’à l’échelle macroscopique. Un nouveau modèle thermique aidera à maitriser le risque d’auto-échauffement des batteries de forte puissance.
Le consortium
France : 6 laboratoires académiques, Allemagne : 6 laboratoires
Ce projet permettra d’atteindre des avancées significatives en matière de batteries de forte puissance et densité d’énergie adéquate. Des nouveaux matériaux d’électrodes et d’électrolyte de batteries fortes puissance tout solide Lithium et Sodium seront optimisés, ainsi que des architectures de cellules pour les différentes applications envisagées. La transférabilité vers une production industrielle sera un des points d’attention clés et de premiers prototypes des batteries pour équipements portables seront fabriqués avant la fin du projet. En parallèle, des modèles multiphysiques multiéchelles seront disponibles à l’issue du projet afin de permettre aux futurs concepteurs de trouver les meilleures structures répondant à des applications spécifiques. L’approche holistique des essais permettra de paramétrer un modèle de vieillissement électrique et thermique qui pourra être utilisé pour les algorithmes de gestion de la batterie (BMS) et pour la conception de système. Les fonctionnalités de gestion de la batterie, tels que les différents indicateurs d’état (état de charge, état de santé, état de puissance, état d’énergie), seront développées à la fois pour les batteries Li- et Na, afin de permettre un fonctionnement sûr des cellules de ces batteries.
Les batteries à haute puissance ont un rôle important à jouer dans le déploiement des véhicules électriques de type flotte avec un temps de chargement court. Elles sont également essentielles pour la stabilisation du réseau électrique, dans un contexte où il est impératif de compter de plus en plus sur les énergies renouvelables, souvent instables. La prise en compte des enjeux environnementaux sera plus particulièrement réalisée à travers la technologie sodium versus la technologie lithium, le développement de cellules sans anode qui nécessitent une quantité moindre de matériaux et présentent une meilleur recylabilité, et par le recours à des procédés de fabrication écologiques.
Formation de 9 doctorants et 10 postdoctorants dans les laboratoires académiques français
