Synthèse de nouveaux électrolytes solide à base de Sodium pour le stockage de l'énergie

Synthesis of new sulfur-based solid electrolytes for energy storage

• Auteur / Autrice : Killian Dénoue
• Direction : Laurent Calvez, David Le Coq
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux
• Date : Soutenance le 23/09/2021
• Etablissement(s) : Rennes 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matière, Molécules Matériaux et Géosciences (Le Mans)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Sciences Chimiques de Rennes
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre-Étienne Cabelguen, Xiang Hua Zhang
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mathieu Allix, Andrea Piarristeguy

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sodium

Énergie -- Stockage

Conduction ionique

Électrolytes solides

Mots clés libres

Électrolytes solides au sodium

Mécanosynthèse

Conductivité ionique

Conductivité électronique

Sodium solid electrolytes

Mechanosynthesis

Ionic and electronic conductivities

Résumé

Entraîné par l’électrification des transports et la part grandissante des énergies renouvelables dans la production d’énergie, le marché du stockage de l’énergie ne cesse de croître. Actuellement, la technologie lithium-ion est la plus performante du marché, mais semble atteindre ses limites depuis quelques années. En effet, les batteries lithium-ion peinent à répondre aux nouvelles exigences de puissance, de légèreté et posent surtout des problèmes en terme de sécurité et d’approvisionnement en lithium. La conception de nouveaux systèmes de stockage électrochimique tel que des batteries tout-solide au sodium ouvre alors une possibilité pour confectionner des batteries plus performantes et plus sûres tout en s’affranchissant du lithium. L’un des matériaux clé dans ce batteries nouvelles génération solide est l’électrolyte solide séparant les deux électrodes. C’est dans ce contexte que s’inscrivent les travaux de recherche présentés dans ce manuscrit, en étudiant des matériaux vitreux et vitrocéramiques pouvant être utilisés en tant qu'électrolyte solide. La formulation de nouveaux verres de sulfures au sodium a été réalisée afin d’étudier leurs propriétés de conductions ioniques et électroniques et de déterminer leur potentielle application en batterie tout-solide. Dans un soucis d’amélioration de ces caractéristiques, des recherches ont été menées sur l’impact de la cristallisation et l’ajout de chlore sur les propriétés de conduction. Enfin, des travaux inédits sur la nitruration de verres à base de soufre ont été entrepris dans le but d’alléger la batterie et de potentiellement améliorer les propriétés de conduction de ces électrolytes.

Led by the electrification of transport and the growing share of renewable energies in energy production, the energy storage market is constantly growing. Currently, lithium-ion technology is the most efficient on the market, but it seems to have reached its limits in the last few years. Indeed, lithium-ion batteries are struggling to meet the new requirements of power, lightness and especially present some problems in terms of security and lithium supply. The design of new electrochemical storage systems such as all-solid-state sodium batteries paves the way to more efficient and safer batteries without lithium. One of the key materials in this new generation all-solid-state battery is the solid electrolyte separating the two electrodes. The research work presented in this manuscript takes place in this context, by studying glass and glass-ceramic materials that can be used as solid electrolyte. The formulation of new sodium sulfide glasses has been carried out in order to study their ionic and electronic conduction properties and to determine their potential application in all-solid-state batteries. In order to improve these characteristics, additional research was carried out on the impact of crystallization and the addition of chlorine on the conduction properties. Finally, original works on the nitriding of sulfur-based glasses has been undertaken with the aim of lowering the weight of the battery and potentially improving the conduction properties of these electrolytes.