Projet ANR-15-CE05-0005 – CEENEMA : Ingénierie de la catalycité par des nanostructures: matériaux d’anodes pour la prochaine génération de batteries Lithium-Ion
Programme : Stockage, gestion et intégration dans les réseaux des énergies (DS0205) 2015
Année de financement : 2015
Coordinateur du projet : Monsieur Thierry BELMONTE (Institut Jean Lamour)
Montant : 233792.0 euros
Date de début : 2016
Durée : 36 mois
Résumé : En raison de la production discontinue des énergies renouvelables, il est impossible d'utiliser ces sources d'énergie pour les transports. Le projet CEENEMA permettra d’assurer le lien entre énergies renouvelables et dispositifs électriques. Légères, de forte capacité, de forte puissance et fiables, les batteries lithium-ion peuvent alimenter des véhicules électriques. Le stockage d'énergie à base de nanostructures offre de nombreuses possibilités. Ainsi, la performance des matériaux d'anode peut être améliorée en utilisant des nanocomposites. Il faut remplacer les anodes en graphite qui limitent aujourd'hui la densité de puissance des batteries. Notre objectif est double pour un transfert industriel rapide :
1 °) dans un matériau d'anode modèle basé sur SnO2, le mécanisme de stockage du lithium peut être décrit par une première réaction irréversible où les ions Li+ sont oxydés par SnO2 en Li2O, ce qui forme Sn, suivie d'une réaction d'alliage-démixtion entre Sn et Li+. Dans ce cas, l'un des moyens les plus efficaces pour accroître l'efficacité coulombique (CE) initiale est de convertir Sn en SnO2 et de promouvoir la décomposition de Li2O pendant le processus de charge (au dépend de Li). Cette réaction peut améliorer la capacité réversible de la batterie en augmentant la capacité de stockage du lithium de 4,4 Li+ par SnO2 (782 mAh/g) à 8,4 Li+ (1493 mAh/g). Un objectif de ce projet est d'étudier l'effet catalytique qui promeut la réaction inverse de la première réaction prétendument irréversible.
Grâce ce modèle, nous pourrons utiliser des nanocomposites SnO2/GeO2-oxyde de graphène comme plate-forme d'étude des mécanismes catalytiques. En partant du système SnO2/Ge ou SnO2/GeO2, nous allons synthétiser des nanostructures qui permettront d’avoir des CE initiales élevées et des anodes plus performantes tout en améliorant l'efficacité globale de la batterie, notamment sa stabilité à forts courants. Les proportions de SnO2, GeO2 et de graphène seront optimisées pour une estimation précise des coûts du procédé. D'autres catalyseurs comme CuO, Co3O4, Fe2O3, MnO2, NiO, Au, Pt... seront aussi testés.
Notre recherche vise également à proposer une approche novatrice basée sur l’intégration de nanostructures hybrides avec une ingénierie de l'effet catalytique (i.e. favorisant la réaction irréversible) et l’amélioration de la performance des matériaux d'anode au-delà des valeurs théoriques.
2 °) Cette approche nouvelle sera orientée vers le marché puisque la production intensive de nanoparticules avec des caractéristiques maîtrisées est obligatoire pour produire des batteries lithium-ion à faible coût. Un procédé original, basé sur les décharges dans les liquides diélectriques, est proposé comme étant la meilleure réponse à cette nécessité en termes d'innocuité, de traitement respectueux de l'environnement et d'économie d'énergie. Des nanoparticules bien contrôlées chimiquement et structurellement avec des distributions de taille étroites comprises entre 2 et 20 nm seront produites dans l'eau ou dans l'azote liquide en condition d’espace interélectrode micrométrique. La vitesse de production est de 100 à 1000 fois plus rapide que l'ablation laser dans des liquides.
La fonctionnalisation de surface des nanoparticules sera assurée par différents moyens comme l'ajout d'acides (HCl ou HNO3) à l'eau lors des décharges ou par des jets de microplasma à pression atmosphérique en contact avec l'eau, un nouveau procédé qui assure une ingénierie de surface des nanomatériaux. Couplées à des diagnostics du plasma comme la spectroscopie d'émission optique résolue en temps et l'imagerie ICCD picoseconde, les moyens de caractérisations de matériaux les plus avancés seront utilisés pour optimiser la conception et les propriétés des nanoparticules.
Notre approche est unique et prometteuse pour toute application exploitant des batteries à forte efficacité et faible coût. L’étude proposée devrait générer du développement et de l’emploi pour Singapour et la France.