PERformance et SEcurité POur accumulateurs LIthium/Soufre – PERSEPOLIS

Le développement des batteries est devenu un enjeu majeur du 21ème siècle. Au cours des vingt dernières années, les batteries au lithium ont été l'objet de nombreuses recherches. En effet, ces technologies de batterie présente des densités d'énergie massique (250 Wh.kg-1) et volumique attractives, de même qu'une tension de fonctionnement importante et une faible autodécharge. Cependant, la densité d'énergie, notamment massique, de ces accumulateurs ne suffira pas à satisfaire les besoins futurs en termes de stockage de l'énergie, notamment en ce qui concerne les batteries pour véhicules électriques. Autre paramètre limitant, les accumulateurs lithium-ion conventionnels impliquent l'utilisation de matériaux actifs chers, parfois toxiques et peu sécuritaires.

Le soufre élémentaire est un matériau très prometteur d'accumulateur au lithium, en raison de sa capacité de stockage massique très importante (1675 mAh.g-1). Le potentiel de décharge d'un accumulateur au soufre est d'environ 2.1V, ce qui devrait permettre, d'après les estimations, d'atteindre des densités d'énergie massique de l'ordre de 500 Wh.kg-1. En parallèle, le soufre présente également l'avantage d'être bon marché, abondant et non toxique, ce qui permet d'envisager la production de batterie au lithium bas cout, plus sûres et présentant une grande densité d'énergie massique.

Cette technologie fait l'objet de nombreuses recherches depuis plusieurs années. Cependant, ce système prometteur présente toujours de nombreuses limitations telles que: la faible capacité de décharge, la faible cyclabilité, l'autodécharge, l'efficacité coulombique dégradée ainsi que l'utilisation d'une électrode négative de lithium métal, bien connue pour ses problèmes d'insécurité (dendrites et risques d'explosion).

Ce projet se propose donc d'améliorer les accumulateurs lithium/soufre, en développant des moyens de protection de l’électrode négative de lithium métal. L'objectif consiste à limiter conjointement la formation de dendrites en cyclage, de même que les phénomènes de navette redox et d’autodécharge. En résumé, l’objectif de ce projet serait double:
• Sécuritaire : suppression des dendrites, fiabilité de l’électrode de lithium métal en cyclage
• Performances : limitation de l’autodécharge et amélioration de l’efficacité coulombique

Dans cette optique, trois stratégies différentes seront considérées dans ce projet:
• Des moyens de protection du lithium métal seront développés à l'aide d'additifs d'électrolytes organique ou de couches de protection polymères
• Des moyens de protection du lithium métal seront développés à l'aide de l'utilisation de membranes inorganiques de type céramique ou électrolyte "tout-solide" en ouche mince
• Des moyens de protection du lithium métal seront développés en couplant les deux stratégies précédentes et en proposant des moyens de protection mixtes organique/inorganique.