FRISBI

Aperçu

Les batteries tout-solide à ion fluorure comme futurs systèmes de stockage à densités d’énergie élevées.

Dr. Damien Dambournet (PHENIX, Sorbonne Université)

Le projet FRISBI vise à développer un nouveau système de batteries utilisant les ions fluorures comme porteurs de charge. La réalisation d’un dispositif rechargeable et stable, grâce à l’emploi d’un électrolyte solide, s’appuie sur un consortium ayant des compétences allant de la chimie du fluor au stockage électrochimique. Le projet se focalise sur les trois composants (électrolyte et électrodes) de la cellule avec une approche à la fois fondamentale sur les aspects de mécanismes d’intercalation et de diffusion des ions fluorures au sein des matrices identifiées. Par ailleurs, ce projet poursuit des ambitions applicatives pour la réalisation d’un système présentant une grande densité d’énergie.

Mots-clés

Stockage électrochimique, batteries de nouvelles générations, chimie d’intercalation, mécanismes de diffusion, porteur de charge

Les tâches

Nos recherches

Les électrolytes solides

Différentes compositions d’électrolytes seront envisagées en s’appuyant sur une approche expérimentale et théorique. Les mécanismes de diffusion des ions fluorures dans les composés envisagées feront l’objet d’une attention particulière ainsi que leurs caractéristiques dans des dispositifs.

Les matériaux d’électrodes

Plusieurs familles de matériaux seront préparées, allant des (oxy)fluorures de métaux de transition aux intermétalliques, afin d’être utilisées comme électrodes positives ou négatives dans les batteries à ions fluorure. Les matériaux ciblés présentent des caractéristiques structurales attrayantes telles que des sites interstitiels adaptés à l’intercalation réversible des ions fluorure, une conductivité ionique et électronique favorisant des mécanismes d’insertion plutôt que de conversion métallique, et conduisant à de faibles variations volumiques au cours des cycles de charge/décharge. Leur grande flexibilité en termes de composition offre l’opportunité d’identifier des électrodes (électro)chimiquement compatibles avec l’électrolyte solide. Ainsi, les propriétés électrochimiques des matériaux synthétisés seront étudiées à l’aide de protocoles standards et leurs mécanismes d’oxydoréduction feront l’objet d’une étude approfondie.

Assemblage

Deux approches seront utilisées pour l’assemblage des cellules tout solide : le pressage à froid consistant à réaliser des pastilles de densités et d’épaisseurs contrôlées et le Spark Plasma Sintering (SPS) qui permet d’obtenir des batteries autoportantes à l’état solide. L’optimisation de la formulation des électrodes composites (matière active/électrolyte solide/additif de carbone) sera effectuée afin de trouver les meilleurs paramètres en termes de performances électrochimiques et de charge de matière active.

Caractérisations avancées

Plusieurs techniques avancées de caractérisation portant sur l’utilisation du rayonnement synchrotron seront utilisées dans le projet FRISBI. La spectroscopie d’absorption de rayons X durs (XAS) en mode operando permettra d’étudier les mécanismes de compensation de charge et l’évolution de la structure locale autour des atomes absorbants. En revanche, le rôle des couches protectrices sur les électrodes sera étudié par la spectroscopie de photoélectrons par rayons X durs (HAXPES), qui permet d’avoir une profondeur d’analyse plus importante par rapport à la spectroscopie de photoélectrons X conventionnelle (XPS). Des informations complémentaires sur la réactivité du fluor seront obtenues par diffusion Raman de rayons X durs (XRS).