Contrôle et impact du taux de solvant résiduel pour le développement de polyélectrolytes fluorés et composites pour batteries Lithium tout solide

Control and impact of the amount of residual solvent for the development of fluorinated and composite polyelectrolytes for all solid state Lithium batteries

• Auteur / Autrice : Christopher Magras
• Direction : Laurent Rubatat, Joachim Allouche
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie polymères
• Date : Soutenance le 28/03/2023
• Etablissement(s) : Pau
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences Exactes et leurs Applications
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences analytiques et de Physico-chimie pour l'Environnement et les Matériaux - Institut des sciences analytiques et de physico-chimie pour l'environnement et les materiaux
• Jury : Président / Présidente : Maud Save
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Florent Carn, Jean-François Gohy, Gérôme Godillot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Florent Carn, Jean-François Gohy

Mots clés

Mots clés contrôlés

Batteries lithium-soufre

Mots clés libres

Batterie

Lithium

Tout solide

Électrolytes

Polymères

Composite

Battery

Lithium

All-Solid-State

Electrolyte

Polymer

Composite

Résumé

Les technologies actuelles de batteries Lithium-ion utilisent des électrolytes liquides, qui ne sont pas compatible avec l'utilisation d'une anode en lithium métal. L'utilisation de ce dernier pourrait améliorer significativement la capacité des batteries, mais nécessite l'utilisation d'un électrolyte solide stable. Dans ces travaux, nous décrivons la préparation d'électrolytes solides à base de dérivés de Poly(fluorure de vinylidène) (P(VDF)), et l'étude de différentes stratégies pour améliorer leurs performances. Une influence significative du taux de solvant résiduel a été observée, celui-ci provenant d'un séchage incomplet de l'échantillon. Cela conduit à une amélioration de la conductivité ionique de plus de 5 ordres de grandeurs. Malheureusement, la présence de solvant résiduel est rarement mentionnée et quantifiée dans la littérature. Dans ce travail, nous décrivons la préparation d'électrolytes à base de copolymères de P(VDF) avec différents taux de solvant résiduel, et leurs caractérisations. De plus, nous avons identifié les paramètres du procédé de préparation ayant une influence significative sur les propriétés des électrolytes. Cela nous permet maintenant de proposer un procédé de préparation reproductible. Cependant, la présence de solvant résiduel peut être néfaste à la stabilité électrochimique (< 3.8 V) des électrolytes. Pour cette raison, nous avons préparé des électrolytes contenant des additifs plus stables, permettant d'obtenir de bonnes conductivités ioniques (>10-4 S/cm à 25 °C) et hauts potentiels d'oxydation (> 4.1 V). Les performances obtenues sont prometteuses pour la préparation d'électrolytes pour batterie lithium tout solide. De plus, nous décrivons la modification chimique contrôlée d'un copolymère afin d'obtenir un taux modulable de doubles liaisons et son étude en fonction de la teneur en solvant. Enfin, nous avons étudié le traitement de surface et la réduction de la taille de particules inorganiques. Des électrolytes composites fluorés ont alors été préparés et leurs performances évaluées.

Current lithium ion battery technology uses liquid electrolytes, which are not compatible with the use of lithium metal anode. The use of the latter could result in significantly improved battery capacity, but requires the use of a stable solid electrolyte. In this work, we report the preparation of Poly(vinylidene fluoride) (P(VDF)) derivatives solid electrolytes and the investigation of multiple strategies to improve their performances. The significant influence of residual solvent originating from an incomplete drying step was highlighted. This leads to an increase of more than 5 orders of magnitude of the ionic conductivity. Unfortunately, the presence of residual solvent is rarely mentioned and quantified in literature. In this work, we report the preparation of electrolytes prepared with P(VDF) copolymers with various residual solvent content and their characterization. Moreover, we have identified the preparation parameters with a significant or negligible influence on the electrolytes properties. This allows us now to propose a reproducible preparation processes. Nevertheless, residual solvent may be detrimental to the electrochemical stability (< 3.8 V) of the electrolytes. For this reason, we prepared samples containing a more stable additive, yielding high ionic conductivity (> 10-4 S/cm at 25 °C) and high oxidation potential (> 4.1 V). The performances obtained are promising for the preparation of electrolytes used in all-solid-state lithium batteries. In addition, we report the controlled modification of one copolymer to obtain tunable double content, and its study with regard to the residual solvent content. Finally, we have investigated the surface treatment and size reduction of inorganic particles. Composite electrolytes were then prepared and their performances measured.