Comportement mécanique de verre innovants pour applications dans les électrolytes solides

Contexte :

Les batteries « tout solide », à électrolyte et électrodes solides, présentent plusieurs avantages par rapport aux batteries à électrolytes liquides. Elles sont plus performantes en termes de capacité de stockage, de rapidité de charge/décharge, de fiabilité et de sûreté, et sont regardées comme l’avenir du stockage électrochimique d’énergie. Cependant, ces batteries posent des problèmes mécaniques difficiles. Notamment, les contraintes qui se développent dans les matériaux actifs, en raison des variations de volume engendrées par les cycles d’incorporation et de désincorporation des cations porteurs de charge, sont susceptibles d’affecter le processus de réaction électrochimique et d’engendrer de la fissuration. Les processus d’endommagement limitent le nombre de cycles et donc la durée de vie de la batterie. Ce projet propose de répondre à cette problématique en apportant une compréhension des mécanismes d’endommagement ainsi que des solutions pour améliorer la résistance à la fissuration, la durabilité chimique, la résistance à la fatigue et la sécurité, tout en optimisant l’autonomie et l’éco-compatibilité (matériaux abondants, procédés de recyclage, diagnostic-autoréparation).

Projet :

Les électrolytes solides sont avantagés par une conductivité ionique élevée ainsi que par de meilleures stabilités thermique et chimique vis-à-vis des matériaux actifs des électrodes. Par rapport aux matériaux cristallins principalement considérés jusqu’à présent (sulfures, oxysulfures et oxydes), les électrolytes en verre présentent plusieurs avantages :

1) leur capacité de formage viscoplastique se traduit par une bonne liaison aux interfaces solide-solide (électrodes et interphases) ;

2) l’absence de joints de grains réduit les risques de court-circuit dû à la croissance de dendrites métalliques ;

3) la souplesse au niveau de la composition permet d’optimiser la stabilité électrochimique et l’efficacité de l’électrolyte, qui peut atteindre une conductivité de plus de 10–3 S. cm–1.

Le principal objectif de l’étude proposée est d’identifier les problèmes relevant du comportement mécanique des matériaux choisis pour les électrolytes solides, en lien avec leurs natures physico-chimiques, et de proposer une modélisation et une simulation pertinente pour les phénomènes couplés mécaniques/électroiques/chimiques.