Conception de batteries entièrement solides à haute énergie

 

Eric McCalla

Université McGill

 

Domaine : énergie

Programme : établissement de nouveaux chercheurs universitaires

Concours 2019-2020

La recherche de nouvelles formules chimiques de batterie offrant un cycle de vie plus long et une meilleure sécurité que les batteries Li-ion actuelles revêt aujourd'hui une grande importance. Les batteries Li-ion ne répondent toujours pas aux exigences rigoureuses des constructeurs automobiles pour mettre en oeuvre à une grande échelle les véhicules électriques. Par ailleurs, elles ne peuvent rivaliser avec d'autres technologies de stockage qui visent le stockage hors réseau à l'appui des sources d'énergie intermittentes renouvelables. Les batteries entièrement solides pourraient jouer un rôle important dans ces deux applications essentielles compte tenu de ce qu'elles offrent : une sécurité améliorée et une durée de vie potentielle beaucoup plus longue que les batteries à électrolyte liquide actuelles. Nous nous proposons d'utiliser des techniques à haut débit pour accélérer la conception de batteries avancées entièrement solides à haute énergie. Le principal défi concerne l'électrolyte solide dont plusieurs propriétés doivent être optimisées simultanément parmi lesquelles : la haute conductivité ionique, la stabilité électrochimique aux deux électrodes et une bonne stabilité mécanique pendant le cyclage électrochimique. Ce domaine de recherche actif met au point des matériaux prometteurs aux compositions complexes. Les espaces des compositions sont malheureusement peu étudiés, et seules quelques compositions ont été synthétisées à ce jour. Dans l'électrolyte solide, la composition influent grandement sur la conduction ionique, si bien qu'un petit changement dans la stoechiométrie peut entraîner un effet important sur la concentration des défauts et par conséquent sur la conductivité. Il nous faut donc impérativement étudier les vastes compositions possibles d'une manière plus rigoureuse qu'avec les méthodes traditionnelles employées jusqu'à aujourd'hui. Le groupe McCalla utilisera des méthodes combinatoires pour synthétiser et caractériser un très grand nombre d'échantillons (facilement 200 échantillons par semaine) dans l'espace des compositions prometteuses des oxydes ternaires Li-La-Ti. Nous caractériserons les échantillons par diffraction des rayons X afin de tracer les diagrammes de phases, mais mesurerons également la conductivité ionique et testerons les batteries solides sur le plan électrochimique – activités tout aussi importantes pour la recherche sur les batteries ; le tout à haut débit. Notre étude sera la première à optimiser plusieurs propriétés des électrolytes solides en vrac dans un système ternaire complet. Ces travaux nous permettront de déterminer la composition et les conditions de synthèse qui produisent des matériaux optimums pour des batteries. Cette information guidera les futurs travaux de conception rationnelle de batteries avancées. La possibilité d'accélérer le criblage de cette classe de matériaux importante et extrêmement complexe est cruciale autant pour les chercheurs universitaires que les chercheurs industriels. Le personnel hautement qualifié qui travaille sur le présent projet seront donc très recherché dans ce secteur actif de la chimie.