Batteries Lithium-ion pour le stockage de l’électricité : Nouveaux matériaux d’électrode négative

Enjeux

Les batteries Lithium-ion occupent une place prédominante sur le marché de l'électronique portable. Parallèlement, le développement actuel tend vers des dispositifs « plus gros » pour les systèmes de secours, les réseaux alimentés par des énergies renouvelables (par nature intermittentes), l’aéronautique et les véhicules hybrides.

Les axes de recherches portent actuellement sur tous les éléments constitutifs de la batterie. Le dispositif Li-ion emploie généralement une anode graphitique qui limite la capacité spécifique à 372 mAh/g et qui se dégrade sous l’effet des dilatations imposées par les réactions d’insertion/désinsertion du lithium (induisant ainsi des problèmes de cyclabilité et de dangerosité).

Dans ce cadre, nous avons réalisé de nouveaux matériaux d’électrode négative composites afin d'accroître à la fois la tenue mécanique, les densités d'énergie et de puissance ainsi que la cyclabilité.

Compétences développées

• Développement de protocoles de synthèse permettant la réalisation de matériaux d’électrode à base de carbones par chimie douce
• Contrôle de la morphologie des carbones via le contrôle des paramètres de synthèse sol-gel
• Réalisation de matériaux composites nanostructurés à base de carbone et de silicium
• Détermination des paramètres « clefs » influant sur l’insertion de silicium au sein de (nano)particules de carbone issues de la synthèse sol-gel.

Impacts et persectives

Ce projet a permis :

• d’accroitre nos compétences dans le domaine des matériaux nanostructurés pour les batteries au lithium.
• de consolider les liens entre Mines ParisTech et l’Ecole des Mines de Saint Etienne par dépôt d’une proposition à l’appel AAP Carnot 2013.
• d’initier des discussions avec divers industriels (notamment la SAFT) et laboratoires de recherche sur des bases concrètes.

Résultats

• Réalisation d’une gamme de matériaux à base de carbone pouvant potentiellement remplacer le graphite à l’électrode négative :

1. - sous forme de billes de 300 à 600 nm ou de fibres de 300 nm de diamètre de carbone « durs » afin de palier au problème d’exfoliation au cours du temps.
2. - à base de carbone supportant du silicium en associant les propriétés du carbone (conducteur électrique) à celles du silicium (grande capacité de stockage : valeur théorique autour de 4000 mAh.g-1) et ce, afin d’accroitre la capacité de stockage.

• en insérant le silicium dans le carbone en vue de maintenir l'intégrité de l'électrode (résistance aux phénomènes de dilatation liés au processus d’insertion/désinsertion du lithium dans le silicium) pour une meilleure tenue au cyclage
• en intégrant d’autres formes de carbones (graphène) pour augmenter la conductivité électrique et de la densité de puissance.