Design d'électrolytes à 5 V via l'approche génomique des électrolytes – DEVEGA

Le développement de nouvelles technologies pour le stockage de l'énergie est un des challenges des prochaines décennies. Beaucoup d'espoirs reposent sur les batteries lithium-ion qui ont envahies le marché des ordinateurs portables et qui apparaissent comme le meilleur choix à court terme pour les véhicules électriques, et sans-doute pour les applications réseaux également (stockage de l’électricité produite par les éoliennes et les cellules photovoltaïques par exemple). De nombreux travaux concernent la recherche d’électrodes positives à haute densité d’énergie. Les oxydes lamellaires riches en lithium sont particulièrement intéressants car ils possèdent une capacité élevée bien que leurs propriétés de cyclage restent limitées pour pouvoir aujourd’hui être utilisées dans les batteries lithium-ion à haute densité d’énergie. Nos récentes études ont montré que cette super-capacité provient du couple inhabituel O2-/(O2)2- qui est impliqué dans le procédé d’oxydoréduction et qui nécessite le développement d’électrolytes compatibles.

Ce projet a pour objectif de développer une stratégie rationnelle de rupture par rapport aux approches traditionnelles qui consistent à tester des électrolytes à l’aveugle afin d’identifier de nouveaux électrolytes stables aux hautes tensions. Une telle approche repose sur (i) la conception de nouveaux électrolytes en utilisant des outils de calculs modernes de criblage basés sur ces calculs DFT et QSPR (signifiant respectivement « théorie de la densité de la fonctionnelle » et « corrélations stratistiques quantitatives structures-propriétés ») ainsi que sur la connaissance des mécanismes responsables de l’oxidation des électrolytes à la surface des oxydes laminaires riches en lithium, (ii) la synthèse des meilleurs structures identifiées par des calculs in-silico, et (iii) l’étude des propriétés chimiques et électrochimiques des électrolytes formulés dans ce projet. Le but du présent projet est donc de trouver un électrolyte qui pourra être utilisé dans les batteries hautes tensions pour les applications à forte densité d’énergie comme les véhicules électriques.

Ce projet collaboratif ambitieux impliquant des équipes de recherche de Paris, Rouen et Strasbourg est basé sur une approche multidisciplinaire et combine des compétences complémentaires en chimie organique, chimie analytique, électrochimie, chimie des solutions, thermodynamique et chimie théorique. Ce projet se focalisera sur la conception de solvants organiques dipolaires aprotiques lipophiles de types sufones, sulfures, carbonates d’alkyles et éthers contenant des atomes électronégatifs comme le fluor car les atomes de fluors permerttent d’améliorer la résistance anodique en modifiant l’énergie de l’orbitale HOMO tandis que l’encombrement stérique permet de protéger les sites fragiles de la molécule. Au contraire, la conception de nouveaux sels de lithium ne fera pas partie de se projet puisque qu’il est admis que les chemins réactionnels responsables de la décomposition de l’électrolyte impliquent principalement les solvants et pas les sels.

Ce projet apportera donc des bénéfices importants aussi bien d’un point de vue scientifique, technologique qu’économique dans un environnement fortement compétitif puisqu’il ouvre la voie au développement de nouvelles batteries permettant le développement de véhicules électriques autonomes sur de longues distances.