Analyse par Nanopore des polysulfures de Li et design d'une membrane organique pour l'amélioration des performances de batteries Li-S

par Fanny Betermier (BéTERMIER)

Projet de thèse en Chimie

Sous la direction de Nathalie Jarroux et de Jean-Marie Tarascon.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Sciences chimiques : molécules, matériaux, instrumentation et biosystèmes (Orsay, Essonne ; 2015-....) , en partenariat avec LAMBE - Laboratoire analyse et modélisation pour la biologie et l'environnement (laboratoire) et de Université d'Évry-Val-d'Essonne (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-11-2018 .


  • Résumé

    Aujourd'hui, la technologie de batterie Plomb-acide domine toujours le marché des batteries rechargeables (450 GWh), où les batteries Lithium-ion représentent environ 85 GWh. Cependant, cette image change résolument. Umicore prédit une augmentation du marché des batteries lithium à environ 500 GWH avant 2025 [2] et la Nouvelle Finance d'Énergie Bloomberg prévoit une demande de batterie au lithium dans l'échelle du terawatt-heures avant 2030 [3]. Pour les applications de stockage et de conversion d'énergie, la conception de nouveaux dispositifs électrochimiques en accord avec les principes de développement durable est devenue incontournable. De telles exigences ajoutent une complexité lors du développement des matériaux aussi bien au niveau de leur composition qui ne devra contenir que des éléments abondants et non toxiques, que de leur procédé d'élaboration qui devra être le moins énergivore possible. Ces contraintes ont motivé l'étude de nouvelles technologies au-delà du Li-ion, comme c'est le cas du système lithium-soufre qui présente une énergie spécifique (Wh/kg) théorique 5 fois plus élevée [4], tout en utilisant des éléments abondants et peu couteux. Il est à noter que, bien que vieille de plus de 50 ans, cette technologie n'arrive pas à franchir les portes du laboratoire principalement due à la rapide décharge après de courts temps d'utilisation. Cette thèse a pour but de mettre fin à cette attente en proposant une approche disruptive à l'interface de plusieurs disciplines, le DIM RESPORE servant de levier. Plus spécialement on parle de séquençage d'espèces chimiques au sein d'un accumulateur jamais envisagé jusqu'à présent, voire de confection de membranes bio-sourcées à fonctionnalité et à porosité contrôlées, pouvant servir de structure pour l'autoréparation des batteries. [1] M.-K. Song, E. J. Cairns, and Y. Zhang, « Lithium/sulfur batteries with high specific energy: old challenges and new opportunities », Nanoscale, vol. 5, no 6, p. 2186‑2204, mars 2013. [2] Y. Yang, G. Zheng, and Y. Cui, « Nanostructured sulfur cathodes », Chem. Soc. Rev., vol. 42, no 7, p. 3018‑3032, mars 2013. [3] M. R. Busche, P. Adelhelm, H. Sommer, H. Schneider, K. Leitner, et J. Janek, « Systematical electrochemical study on the parasitic shuttle-effect in lithium-sulfur-cells at different temperatures and different rates », J. Power Sources, vol. 259, no Supplement C, p. 289‑299, août 2014. [4] A. Vizintin et al., « Fluorinated Reduced Graphene Oxide as an Interlayer in Li–S Batteries », Chem. Mater., vol. 27, no 20, p. 7070‑7081, oct. 2015.

  • Titre traduit

    Li polysulfide electric detection / analysis by Nanopore and organic membrane design to improve Li-Sulphur battery performances


  • Résumé

    Today the lead-acid battery technology is still dominating the total market of rechargeable batteries (450 GWh), where lithium-ion batteries represents about 85 GWh [1]. However, this picture is drastically changing. Umicore forecasts an increase of the lithium-ion battery market to about 500 GWh by 2025 [2], and Bloomberg New Energy Finance predicts a lithium-ion battery demand in the terawatt-hour scale by 2030 [3]. Also, for energy storage and conversion, new electrochemical devices conception in accordance with sustainable development has become essential. This new paradigm sensibly increases complexity of materials development. It should contain only non-toxic and abundant elements with an eco-friendly synthesis and a very efficient recycling process. These constraints motivated the research of new systems beyond Li-ion, as the Li-Sulphur battery with 5 times more theoretical specific energy (wh/kg) [4]. However, despite 50 years of research, this technology is still a “lab concept” principally due to the quick discharge after short using time. This thesis project try to push it out of the lab with a disruptive approach, connected to very different fields thanks to the DIM RESPORE. More specifically, we are dealing with species detection and sequencing directly inside a battery, as never imagined before. But also with the conception of a bio sourced membrane with controlled functionalities and porosity that could help for future battery self-healing. [1] M.-K. Song, E. J. Cairns, and Y. Zhang, « Lithium/sulfur batteries with high specific energy: old challenges and new opportunities », Nanoscale, vol. 5, no 6, p. 2186‑2204, mars 2013. [2] Y. Yang, G. Zheng, and Y. Cui, « Nanostructured sulfur cathodes », Chem. Soc. Rev., vol. 42, no 7, p. 3018‑3032, mars 2013. [3] M. R. Busche, P. Adelhelm, H. Sommer, H. Schneider, K. Leitner, et J. Janek, « Systematical electrochemical study on the parasitic shuttle-effect in lithium-sulfur-cells at different temperatures and different rates », J. Power Sources, vol. 259, no Supplement C, p. 289‑299, août 2014. [4] A. Vizintin et al., « Fluorinated Reduced Graphene Oxide as an Interlayer in Li–S Batteries », Chem. Mater., vol. 27, no 20, p. 7070‑7081, oct. 2015.