Mémoire, partim B: Synthèse et mise en forme d'électrolyte solide pour la réalisation de batteries « tout solide »

Abstract

La croissance des besoins en énergie au cours de ces dernières années a obligé la société à développer des alternatives aux énergies fossiles et à s’orienter vers la production d’énergies renouvelables. Ces dernières, étant des sources intermittentes, rendent les batteries lithium-ion particulièrement adaptées comme dispositifs de stockage. Cependant, le domaine des batteries lithium-ion nécessite des améliorations pour répondre aux exigences énergétiques actuelles et notamment en termes de sureté. L’optimisation de ces batteries passe entre autres par le développement d’électrolytes solides en vue de remplacer les électrolytes liquides traditionnels. L’avantage de l’utilisation des électrolytes solides réside dans une augmentation de la densité énergétique, leur résistance thermique et leur plus grande sureté. Le défi à relever consiste à obtenir des matériaux présentant de meilleures conductivités ioniques à faible pression et basse température. Notre recherche s’est donc focalisée sur le développement d’électrolytes solides de type phosphate et de type oxyde, plus précisément le LATP, le LLTO et le LLZO. Ce travail avait pour but la synthèse et la mise en forme des électrolytes solides ainsi que leur utilisation pour réaliser des batteries tout solides par impression 3D. La cathode (NMC) et l’anode (LTO) utilisées pour la réalisation de ces batteries ont d’abord été optimisées en ajoutant différents additifs pour les rendre utilisable en impression 3D. L'influence de ces additifs a été analysé en batterie conventionnel et seuls les échantillons présentant les meilleures performances électrochimiques ont été sélectionnés pour la réalisation de batterie tout solide. Au cours de ce travail, nous avons pu synthétiser les deux électrolytes LLTO et LLZO, mais les tests électrochimiques n’ont pas été réalisés sur ceux-ci à cause d'impureté structurales. Le LATP a été mis en forme avec différents liants polymériques (PVA, PEG et PEO) dans le but d’augmenter la coulabilité et la densité des particules. L’exploitation des résultats des tests d’impédance réalisés sur les poudres mises en forme a montré une meilleure conductivité ionique de 2,44×10⁻⁵ S/cm pour le LATP-NBB+25%PEO. Ce dernier a donc été utilisé pour l’assemblage de batteries tout solides. Nous avons pu réaliser des demi-cellules de NMC-NBB+2,25%PVA+5%NTC//LATP-NBB+25%PEO//Li et de LTO-NBB+2,25%PVA+5%NTC//LATP-NBB+25%PEO//Li avec de bonnes capacités spécifiques de décharge de 138 et 148 mAh/g respectivement. Ces capacités correspondent à 50,5 % et 84,6 % de la capacité théorique de NMC et LTO respectivement.