Investigation of charge transfer processes between an organic and an inorganic material in Li-ion batteries

Etude des processus de transfert de charges aux interfaces entre matériaux inorganiques/organiques au sein d’accumulateurs Li-ion Les batteries Li-ion sont omniprésentes dans notre quotidien notamment dans les appareils électroniques nomades (téléphone, portable), la mobilité électrique et le stockage des énergies stationnaires. Cependant, les densités de puissance et d’énergie, la sécurité et le coût sont les principales limitations de cette technologie pour l’électrification massive du parc automobile. Afin de répondre à ces enjeux, de nouvelles technologies de batterie ont émergé telles que celles dites « tout-solide ». L’innovation repose en partie sur le remplacement de l’électrolyte liquide (inflammable) par un solide non inflammable et l’utilisation du lithium métal comme électrode négative. Cependant, leur intégration dans une batterie n’est pas triviale et il reste, à ce jour, plusieurs défis à relever notamment la conductivité ionique de ces électrolytes solides, typiquement plus faible que celle d’un électrolyte liquide, mais aussi leur réactivité interfaciale avec l’électrode composite positive ou le lithium métal à la négative.Plusieurs familles d’électrolytes solides sont à l’étude, les céramiques inorganiques (telles que LLZO, LATP, etc…), et les polymères. Ces derniers offrent une bonne stabilité mécanique, mais souffrent d'une mauvaise conductivité ionique, tandis que les céramiques offrent les caractéristiques inverses. Les électrolytes composites, issus d’un mélange de céramique et de polymère, sont apparus comme le meilleur compromis offrant une possible synergie des propriétés de chaque constituant. Cependant, les résultats rapportés dans la littérature, portant sur les électrolytes composites sont très dispersés et pour certains contradictoires, ce qui soulève des questions fondamentales sur les mécanismes de transport ionique et notamment les processus de transport/transfert ionique aux interfaces polymère/céramique.D’une façon générale, les mécanismes de transfert de charges (électron et/ou ion Li+) et la réactivité aux interfaces (électrode/électrolyte, Polymère/céramique, etc…) sont au cœur de nombreuses préoccupations dans le développement des prochaines générations de batteries. Leur compréhension est essentielle pour la modélisation et la conception des batteries plus performante (identification des causes de la limitation).Dans cette thèse, nous proposons une étude systématique du transfert de charges aux différentes interfaces organiques/inorganiques que l’on retrouve dans les électrolytes composites (céramique/électrolyte), les électrodes composites (matériau actif/électrolyte), et l’interface lithium métal/électrolyte. L’un des enjeux porte sur la mise en place d’un protocole expérimental adapté à l’étude de chaque type d’interface. Une large gamme de techniques électrochimiques et physico-chimiques a été mise en œuvre pour caractériser les matériaux et les interfaces : la spectroscopie d’impédance électrochimique, des méthodes impulsionnelles, les cyclages potentiostatiques, la spectrométrie de photoémission X (XPS), la microscopie électronique à balayage, l’adsorption contrôlée de gaz, etc... A partir de ces travaux, certains paramètres clefs qui contrôlent ces interfaces sont identifiés comme la chimie de surface de la céramique, la conductivité ionique et la concentration en sel de lithium de la phase organique. La combinaison de ces résultats permet de proposer une approche cinétique des mécanismes de transfert de charges aux interfaces organique/inorganiques.