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Projet terminé: Batteries lithium-ion nanostructurées
Ce projet avait pour objectif d’améliorer les performances des batteries grâce à des anodes et des cathodes conçues de façon mésostructurée et hiérarchique.
Le but du projet dirigé par le Prof. Ullrich Steiner de l’Adolphe Merkle Institute de l’Université de Fribourg était de doter ces dernières d’une surface spécifiquement adaptée à l’intercalation des ions de lithium et entrecoupée de pores plus grands pour permettre la diffusion des ions. Le réseau obtenu devrait avoir de bonnes propriétés mécaniques en termes de cyclage des batteries.
Résultats
La démarche globale visant à réaliser les objectifs ci-dessus a consisté à combiner des matériaux inorganiques obtenus par synthèse sol-gel avec des copolymères à bloc auto-assemblés, comme l’a démontré précédemment l’équipe du professeur Steiner pour d’autres applications de ces matériaux (p. ex. dans le domaine du photovoltaïque ou de l’optique). À cet effet, l’approche initiale a été de faire usage du co-assemblage de copolymères à bloc grâce à un procédé chimique de type sol-gel pour produire des sphères de titane anatase nanostructurées de quelques micromètres de diamètre. Ceci constitue une démonstration de principe que les matériaux appropriés pour la fabrication de batteries peuvent aisément être synthétisés avec un degré élevé de contrôle de leur morphologie hiérarchique, de l’échelle nanométrique à l’échelle micrométrique. Cette démarche a été complétée par une seconde approche complémentaire, en collaboration avec l’Université de Nottingham, où des sphères de polymère nanostructurées et auto-assemblées semblables ont été synthétisées en dioxyde de carbone supercritique. Ces deux approches font office de plate-forme générique pour la fabrication d’une gamme de matériaux d’électrodes pour batteries inorganiques. L’utilité de cette approche a été démontrée par la fabrication de phosphate de fer lithié à structure hiérarchique mésoporeuse, un matériau couramment utilisé pour les cathodes des batteries. Comparées au Li-métal dans une demi-cellule, les électrodes en phosphate de fer lithié mésoporeux, conçues au moyen de procédés standard du secteur, ont révélé de remarquables capacités de cyclage et un excellent cycle de vie. Fréquemment utilisé pour l’anode correspondante, le lithium-titanate a lui aussi été synthétisé sous forme de sphères mésoporeuses, qui ont révélé d’excellentes propriétés mécaniques et électrochimiques, à l’instar du phosphate de fer lithié. Globalement, ce projet a permis de produire des matériaux d’électrodes ayant des porosités bien définies, qui améliorent considérablement les performances des batteries, tout en restant compatibles avec les protocoles standard de fabrication de ces dernières.