CONTRAT DOCTORAL - Dispositifs pour le stockage électrochimique de l'énergie Electrolytes et batteries tout-solide au sodium

par Boonprakrong Koonkaew

Projet de thèse en Chimie et Physico-Chimie des Matériaux

Sous la direction de Annie Pradel et de Andrea Piarristeguy.

Thèses en préparation à Montpellier , dans le cadre de Sciences Chimiques Balard , en partenariat avec ICGM - Institut Charles Gerhardt de Montpellier (laboratoire) et de ChV - Chalcogénures et Verres (equipe de recherche) depuis le 01-10-2016 .


  • Résumé

    Si l'on veut promouvoir un futur où seraient valorisées les énergies renouvelables exemptes de rejets de CO2, il est indispensable de développer de nouveaux systèmes de stockage électrochimique de l'énergie, que ce soit pour la propulsion électrique ou pour le stockage de l'énergie produite par les sources intermittentes que sont les dispositifs d'énergies renouvelables : éoliennes, cellules photovoltaïques ou sources thermiques d'énergie solaire. Le succès des batteries au lithium est indéniable, mais elles présentent deux limitations très pénalisantes : elles sont basées sur l'utilisation i) d'électrolytes liquides inflammables et ii) du lithium, un matériau relativement cher et dont les réserves naturelles en Europe et aux USA sont relativement faibles. Pour contourner ces deux problèmes, on peut envisager deux solutions : i) remplacer le lithium par le sodium et ii) développer des batteries « tout-solide » Le développement des batteries tout-solide se heurte à la difficulté d'obtention d'interfaces « électrode/électrolyte » robustes qui ne se détériorent pas trop rapidement au cours des cycles charge/décharge. Pour tenter de limiter ce problème nous proposons de développer des batteries tout-solide comportant des verres ou vitrocéramiques à la fois comme matériau électrolyte et matériaux d'électrode. Ces matériaux peuvent absorber des changements de composition sans changement de volume important. De plus l'utilisation d'un même formateur de réseau permettra une meilleure délocalisation des interfaces et l'obtention d'un objet monolithe parfaitement compacté. Le deuxième problème qui crée un frein au développement des dispositifs tout solide est la faible conductivité des électrolytes solides en général et des conducteurs au sodium en particulier. Toutefois des conductivités de l'ordre de 10-4 Scm-1 à température ambiante pour des vitrocéramiques sulfures ont été rapportées récemment, rendant ces matériaux très attractifs pour le développement de batteries tout-solide.

  • Titre traduit

    CONTRAT DOCTORAL - Electrochemical energy storage: Electrolytes and all solid-state Na-ion batteries


  • Résumé

    Scientific context A carbon-free renewable energy future requires that next generation electrochemical energy storage systems be developed for vehicular propulsion, nomad application and load leveling of temporal renewable energy harvesters such as wind turbines, solar photovoltaic and solar thermal systems. Even as successful as the present lithium batteries have been, their dependence on flammable liquid electrolytes and on a rather expensive element (Li) which natural abundance is very low in Europe and USA require that new battery systems be developed. An alternative to these batteries could be a sodium all-solid-state battery which would be cheaper and much safer, because it would not suffer from leakage, volatilization, or flammability, as they would employ solid electrolytes rather than liquid organic electrolytes. However, the development of all solid state battery encounters some difficulties. As a matter of fact, solid electrode/electrolyte interfaces are usually easily deteriorated during charge/discharge processes. In order to overcome this problem, we propose to develop all solid-state batteries based on the use of glasses or glass-ceramics for both the electrolyte and the electrodes. These materials can accept large change in compositions without any important change in volume. Moreover, the use of a common glassy network for both electrolyte and electrode could help in producing a better interface delocalization and an ideally compacted monolith. A second drawback to the development of all solid state batteries is the low conductivity of solid electrolytes, particularly the Na+ conducting ones. However, conductivities of about 10-4 Scm-1 at room temperature were recently reported for Na+ sulfide glass-ceramics, which makes these materials attractive for the development of all solid-state batteries. Objective We propose a two-task projects: -First we plan to develop an all solid-state all-glassy battery that would work at high temperature (T> 200°C). It will be based on the use of oxide materials. It will help in validating the concept “all-glass”. - the second aspect of the work will deal with the elaboration of an all solid-state battery that would work at lower temperature, ideally room temperature and based on the use of a sulfide glass or glass ceramic electrolyte. Methodology -Synthesis of oxide or sulfide glasses or glass-ceramics by conventional “quench and melt” technique or by mechanical alloying. In the case of sulfide materials, the composition has not yet been chosen; therefore, series of glasses and glass-ceramics will be produced and characterized: amorphous or crystalline nature by X-ray diffraction, Raman and IR spectroscopy, NMR; electrical properties by impedance spectroscopy and thermal properties by differential scanning calorimetry. -Elaboration of optimized composite electrodes comprising both the active and electrolyte materials, their physicochemical characterization (X-ray diffraction, SEM, XPS, Mössbauer) and electrochemical characterization (performance during charge-discharge cycles- galvanostatic mode). -Elaboration of all solid-state batteries by Spark Plasma Sintering -Electrochemical characterization of the batteries. Collaboration The work will be carried out in collaboration with researchers from the Laboratoire de Réactivité et Chimie du Solide, Université de Picardie, Amiens (Vincent Seznec).