
SONIC
Batterie organique anionique tout solide
Aperçu
Preuve de concept d’une batterie organique anionique tout solide durable
Pr. Philippe POIZOT (IMN, Nantes Université / CNRS)
Le projet SONIC vise à développer le stockage électrochimique de l’énergie sans recours aux métaux grâce à l’usage exclusif de matériaux organiques. Il s’organise sur une plate-forme multidisciplinaire technique et scientifique qui fournira des matériaux d’électrode organiques à insertion d’anions (de « type p ») innovants, durables et compatibles avec des électrolytes polymères à mono-anion permettant la fabrication de prototypes de batteries tout-solide anioniques. Partant d’un TRL1, l’objectif est de démontrer le concept de batteries moléculaires tout-solide anioniques visant plus de 2 V de tension de sortie tout en tenant compte des problématiques d’échelle pour une exploitation future (un TRL3 est ciblé à la fin du projet).
Mots-clés
Batteries organiques anion-ion, éco-conception, électrodes organiques à insertion d’anion, électrolyte solide anionique
Les tâches
Nos recherches
(Eco-)Design, élaboration, caractérisation et performances électrochimiques de matériaux à insertion d’anion pour électrode positive
S’appuyant sur des concepts d’écoconception et de chimie verte, cette tâche consiste en la conception et la synthèse de nouveaux matériaux à base de phénothiazine et de thianthrène capables de fonctionner à des potentiels supérieurs à 3,7 V vs Li+/Li.
(Eco-)Design, élaboration, caractérisation et performances électrochimiques de matériaux à insertion d’anion pour électrode négative
Cette tâche, symétrique à la précédente, vise à la conception et l’élaboration de matériaux d’électrode capables d’insérer des anions à des potentiels < à 2,0 V vs Li+/Li sur la base d’une ingénierie moléculaire disruptive au regard de l’état de l’art.
(Eco-)Design, élaboration, caractérisation et propriétés de transport d’électrolyte polymère à conduction anionique
Cette tâche concerne la synthèse et la caractérisation d’électrolytes à conduction unipolaire anionique. Pour cela des polymères et réseaux polymériques porteurs de groupements fonctionnels cationiques (alkylammonium, imidazolium…) seront synthétisés. Leur chimie sera adaptée pour répondre aux critères de l’application : propriétés de transport de la navette anionique, stabilité chimique et électrochimique dans les gammes de potentiel de la cellule, faible dissolution des matières actives organiques, propriétés mécaniques. Des segments de chaînes flexibles seront privilégiés. La densité de réticulation et le taux de fonctionnalisation cationique seront ajustés pour adapter les propriétés.
Formulations avancées des couches actives aux prototypes de batteries
Cette tâche vise l’élaboration de prototypes de batteries organiques au format de cellule poche, ce qui passe par : 1) l’optimisation de la formulation des électrodes positive et négative avec la sélection des additifs non-électro-actifs pour ajuster les propriétés électriques et mécaniques ; 2) l’optimisation des conditions de fabrication des électrodes et du prototype, avec la question de l’interfaçage de l’électrolyte polymère avec les électrodes. Tout ceci de façon à ce que les prototypes délivrent les meilleures performances électrochimiques possibles.
Caractérisations avancées et multi-échelles des composants et du prototype de batterie anionique
Cette tâche vise à caractériser in situ ou post-mortem les matériaux d’électrodes organiques (type p) au cours des cycles de charge/décharge afin de déterminer les mécanismes des réactions électrochimiques et identifier leurs limitations. De plus, des caractérisations avancées seront réalisées à l’échelle des électrodes pour analyser le comportement des intermédiaires radicalaires en utilisant en particulier la spectroscopie RPE (Résonnance Paramagnétique des Electrons). Enfin il est également prévu d’instrumenter la cellule avec des électrodes de référence afin d’optimiser ses performances électrochimiques (Equilibrage, choix des bornes de tension).
Le consortium
4 laboratoires académiques, 2 instituts du CEA, IFPEN
De nouveaux matériaux seront développés au cours du projet, d’une part, des matériaux d’insertion anioniques innovants pour électrodes positives et négatives, et d’autre part, de nouvelles formulations d’électrolytes solides à conduction anionique. Il sera également conduit un travail spécifique de formulation concernant cette chimie innovante qui conduira à la fabrication de prototypes de batteries organiques anioniques au format de cellule poche. Cette étude permettra de développer une chimie plus sûre et plus durable capable de répondre à plusieurs concepts de chimie verte. Elle conduira également à développer de nouvelles compétences en matière de synthèse, caractérisation et mise à l’échelle des procédés.
Constitués d’éléments naturellement et intrinsèquement abondants (C, H, O, N, voire S), les composés organiques peuvent être préparés au moyen d’une chimie de synthèse faiblement énergivore intégrant potentiellement des réactifs biosourcés tout à s’affranchissant totalement du recours aux éléments métalliques. Leur schéma de recyclage peut être aussi grandement simplifié et ne consister qu’en une simple destruction par combustion de la batterie en fin de vie.
Formation de 5 doctorants et 1 post-doctorant
