Projet ANR-13-PRGE-0002 – COPOLIBAT2 : Batterie lithium métal polymère utilisant comme électrolyte des copolymères à blocs conducteurs uniquement par ions lithium
Programme : Production Renouvelable et Gestion de l'Electricité (PROGELEC) 2013
Année de financement : 2013
Coordinateur du projet : Monsieur Renaud BOUCHET (Laboratoire d'Electrochimie et de Physico-chime des Matériaux et des Interfaces UMR 5279)
Partenaires : BLUE SOLUTIONS; Institut de Chimie Radicalaire; Laboratoire d'Électrochimie et de Physico-Chimie des Matériaux et des Interfaces; Laboratoire de Physique de la Matière Condensée; Laboratoire de Physique des Solides
Montant : 571977.0 euros
Date de début : 2014
Durée : 42 mois
Résumé : Le stockage d'énergie est l'un des plus grands défis sociétaux de ce siècle. Malgré les progrès réalisés, ses dernières années, par la technologie lithium-ion basée sur l’utilisation d’un électrolyte liquide, leur instabilité intrinsèque pose des problèmes de sécurité indéniable. L’utilisation d’électrolytes polymères secs est une solution parfaite en termes de sécurité, d’intégration et d'amélioration de la densité d'énergie. Toutefois, comme pour les électrolytes liquides, la fraction de charge portée par Li+ est faible (<20%), ce qui limite les performances électriques. En outre, les électrolytes polymères secs fonctionnent à 80 ° C, à une température où les propriétés mécaniques sont insuffisantes et leur fenêtre de stabilité électrochimique est limitée. Le lithium métal est l'électrode négative de plus forte capacité et est le seul choix pour profiter des capacités élevées des positives des technologies lithium-air et lithium-soufre.
Dans ce contexte, les principaux objectifs de notre projet est de développer une batterie «  lithium métal polymère » (LMP) capable de fonctionner à 40 ° C sur un grand nombre de cycles (> 1000). Nous avons développé, dans le cadre de COPOLIBAT, des copolymères à blocs (BCE) à conduction cationique, comprenant des blocs polystyrène avec des fonctions bistrifluorométhanesulfonyl imidure de lithium (TFSILi) greffées et un bloc central PEO. Ils permettent de répondre à la plupart des limitations indiquées ci-dessus, avec un transport cationique, d'excellentes propriétés mécaniques et une fenêtre de stabilité électrochimique jusqu’à 5 V vs Li+/Li. Les batteries réalisées présentent des performances supérieures à l’état de l’art, notamment en offrant de très bonnes performances à 60 ° C. Ce projet COPOLIBAT2 vise à poursuivre notre effort sur ces familles d’électrolyte très prometteuses et à développer des prototypes pré-industriels.
Deux aspects principaux seront étudiés pour répondre aux objectifs du projet:
1 - Diminution de la température de fonctionnement, amélioration des performances en termes de puissance, limitation de la croissance dendritique:
? Nous envisageons la modification du bloc POE central afin d’obtenir un caractère amorphe à température ambiante permettant un fonctionnement des batteries à 40 ° C. L’addition d’une faible quantité de plastifiants sera également étudiée.
? Nous voulons développer de nouveaux monomères anioniques permettant d’augmenter la dissociation et ainsi augmenter la conduction. En outre, nous voulons analyser l’effet de la position des anions sur le squelette macromoléculaire sur les propriétés physico-chimiques et notamment le transport ionique.
? Ces électrolytes à conduction cationique évitent la formation de gradient de concentration lors du fonctionnement, ce qui est très bénéfique pour les performances en puissance, de plus ils devraient empêcher la germination des dendrites de lithium. Ces  aspects sont essentiels pour le développement des LMP. L'interface lithium/polymère sera tout particulièrement étudiée pour analyser la nature des dépôts de lithium et calculer le rendement faradique et ainsi  évaluer le nombre de cycles pouvant être atteint.
2 – Réaliser un démonstrateur pré-industriel pour qualifier les nouvelles formulations de BCE en fonctionnement réel:
? Les premiers prototypes utiliseront LiFePO4 comme matière active de positive en utilisant les copolymères développés au cours de COPOLIBAT. Le procédé industriel d'extrusion sera utilisé pour obtenir les BCE en film mince et des électrodes composites. Cela permettra une comparaison directe avec la technologie actuelle du partenaire industriel.
? Au cours du projet, de nouvelles chimies de BCE seront disponibles et directement utilisables pour réaliser des prototypes 
? Enfin, du fait du greffage des anions, les BCE semblent stables jusqu'à 5 V vs Li+/ Li, les prototypes seront étudiés en utilisant un matériau actif possédant un potentiel plus élevé (4-4,2V vs Li+/Li)