Development of New High Voltage Positive Electrodes for Sustainable Li-Ion Batteries – HIPOLITE

Si nous voulons lutter contre le changement climatique, en réduisant notre dépendance aux énergies fossiles, un développement massif de moyens de stockage de l’énergie électrique est indispensable. Dans ce contexte, les batteries lithium-ion sont essentielles pour notre société car elles alimentent un large éventail de dispositifs (appareils électroniques portables, véhicules électriques, gestion de réseaux électriques, ..).
Relever les défis liés à l'énergie, à la sécurité et aux limitations de coûts inhérents à la technologie de la batterie Li-ion nécessitera des innovations à l'échelle des matériaux. Outre les évidentes propriétés intrinsèques des matériaux candidats en termes de performance énergétique et de cyclabilité, l'abondance de leurs constituants chimiques et les procédés envisagés pour leur élaboration sont en train de devenir les principaux facteurs à considérer pour viser des applications à volume élevé, comme les transports ou le stockage réseau.

Le phosphate de fer de type triphylite LiFePO4, basé sur des constituants bon marché et abondants, est actuellement le matériau d'électrode le plus prisé pour la prochaine génération de batteries Li-ion sécurisées pour véhicules électriques. Récemment, en combinant le polyanion plus électronégatif SO42-et l'anion fluor (F-), certains partenaires de ce projet ont réussi à préparer un nouveau matériau d'électrode, le LiFeSO4F fonctionnant à un potentiel de 3,9 Volt vs. Li° et ayant fait l'objet d'un dépôt de brevet. Ce matériau répond à tous les critères de durabilité et offre une densité d'énergie théorique qui est comparable à celle de LiFePO4.

Les compositions LiMXO4Y (M = Fe, V, Mn, Zn, X = P, S, Y = F, O, OH) peuvent exister dans des types structuraux différents, à savoir la Tavorite, la Sillimanite et la Triplite, qui sont caractérisés par des comportements électrochimiques bien différents en batteries au Lithium, en termes de potentiel, de diffusion des ions Li+, de polarisation, etc .. Nos travaux sur ce type de matériaux d'électrodes ont récemment démontré qu'en raison du polymorphisme inhérent à ces phases, il est aujourd'hui nécessaire d'accéder à une meilleure compréhension de leurs voies de synthèse pour espérer développer des batteries Li-ion basées sur ces électrodes LiFeSO4F à haut potentiel. Il est également crucial de s'attaquer au problème de sécurité lié à l'évolution de HF lorsque les dispositifs sont soumis à des contraintes extrêmes, grâce notamment à la conception de dérivés Triplite et Tavorite non fluorés à haut potentiel, qu'il faudra associer évidemment à de nouveaux sels de Lithium et liants également non fluorés.

L'objectif du projet HIPOLITE est de s'attaquer aux problèmes qui subsistent face à cette nouvelle chimie de matériaux d'électrodes, en combinant science fondamentale, prototypage en cellules 18650, et tests à grande échelle ; le but optimum étant d’évaluer la technologie LiFeSO4F/C par rapport à LiFePO4/C. Pour atteindre ces objectifs, nous avons allié au sein d'un même consortium quatre partenaires (LRCS (Amiens), ICMCB (Bordeaux), ICG (Montpellier), et IMPMC (Paris)) ayant une grande expérience collaborative et une expertise complémentaire dans la cristallochimie, l'électrochimie et la modélisation. Ces laboratoires s’appuieront sur le Réseau National de Recherche et Technologie du Stockage Electrochimique de l'Energie(le RS2E) dont le but est d'assurer un continuum entre la recherche fondamentale, les plateformes de prototypage et un transfert rapide vers l’industrie. Ainsi, si les performances atteignent nos espérances cette nouvelle technologie LiFeSO4F/C pourrait rapidement être intégrée dans la nouvelle génération de batteries pour véhicules électriques.