Topic description
Dans un contexte de transition énergétique, l'optimisation des systèmes de stockage de l'énergie s'impose. Ainsi, de nombreuses recherches portent sur l'amélioration des performances et des matériaux actifs des batteries Li-ion. Cependant parmi les paramètres clés pour l'optimisation des performances, les liants polymères ainsi que la formulation des encres d'électrodes sont beaucoup moins étudiés.
Parmi les matériaux actifs étudiés, ceux riches en nickel tels que le NMC (LiNixMnyCo1-x-yO2, avec x proche de 0.8) sont de plus en plus considérés car augmentant fortement la densité d'énergie des batteries. Cependant, leur utilisation combinée au polyfluorure de vinylidène (PVDF) et à la N-méthyl-2-pyrrolidone (NMP) lors de la formulation des encres peut conduire à la gélification de celles-ci, rendant leur mise en forme sur le collecteur de courant impossible.
Le projet FORT vise à étudier différentes stratégies afin de remédier à la gélification des encres d'électrodes riches en nickel et d'identifier les paramètres importants à considérer pour leur optimisation. Pour mieux comprendre les interactions entre les différents constituants, 3 axes seront étudiés : le rôle du liant et le rôle du solvant sur la gélification des encres et enfin la détermination de couples liant polymère/solvant alternatifs évitant ce phénomène.
Ces études passeront par le déploiement et l'utilisation d'un large panel de techniques de caractérisation disponibles au LRCS et dans les différentes plateformes de l'UFR des Sciences de l'UPJV. Des techniques de caractérisation structurales telles que la diffraction des rayons X (DRX), différentes spectroscopies (Raman, infrarouge à transformée de Fourrier (IRTF), résonance magnétique nucléaire (RMN) 1H et 13C, photo-électronique à rayon X (XPS) et à dispersion d'énergie des rayons X (EDX)) ainsi que différents types de microscopies (optiques, électronique à balayage (MEB), électronique en transmission (MET)) seront utilisées afin d'étudier les différents polymères impliqués dans cette étude. La gélification des encres et le comportement dans la formulation des différents couples liant polymère/solvant identifiés seront étudiés par rhéologie et complétés par des tests d'adhésion au collecteur de courant. Le comportement électrochimique des différentes électrodes formulées sera étudié dans un premier temps en demi-cellules puis en cellules complètes, et l'état des films d'électrodes avant et après cyclage sera étudié post-mortem à l'aide d'une analyse MEB/EDX. Enfin, l'impact des différents liants polymères sur la dégradation de l'électrolyte sera étudié par chromatographie en phase gazeuse couplée à la spectrométrie de masse (GC/MS).
L'Analyse de Cycle de Vie (ACV) sera également déployée afin d'analyser les impacts des différentes stratégies d'optimisation de la formulation qui seront proposées à l'issue de ce projet.
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In the context of the energy transition, optimizing energy storage systems is essential. Consequently, much research focuses on improving the performance and active materials of Li-ion batteries. However, among the key parameters for performance optimization, polymer binders and electrode slurry formulations have been studied far less extensively.
Among the active materials studied, nickel-rich materials such as NMC (LiNixMnyCo1-x-yO2, with x close to 0.8) are increasingly being considered because they significantly increase the energy density of batteries. However, their use in combination with polyvinylidene fluoride (PVDF) and N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) during electrode formulation can lead to gelation of the slurries, making it impossible to coat them to the current collector.
In this scope, FORT aims to investigate various strategies to mitigate the gelation of nickel-rich electrode slurries and to identify the key parameters to consider for their optimization. To better understand the interactions between the various components, three areas will be studied: the role of the binder and the role of the solvent in electrode slurry gelation, and finally the identification of alternative polymer/solvent combinations that prevent this phenomenon.
These studies will involve the deployment and use of a wide range of characterization techniques available at the LRCS and across the various platforms of the UPJV's Faculty of Sciences. Structural characterization techniques such as X-ray diffraction (XRD), various spectroscopies (Raman, Fourier transform infrared (FTIR), nuclear magnetic resonance (NMR) 1H and 13C, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX)), as well as various types of microscopy (optical, scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM)) will be used to study the different polymers involved in this study. The gelation of the slurries and the behavior of the various identified polymer/solvent pairs in the formulation will be studied using rheology and supplemented by adhesion tests to the current collector. The electrochemical behavior of the various formulated electrodes will first be studied in half-cells and then in full cells, and the condition of the electrode films before and after cycling will be examined post-mortem using SEM/EDX analysis. Finally, the impact of the various polymer binders on electrolyte degradation will be studied using gas chromatography coupled with mass spectrometry (GC/MS).
A Life Cycle Assessment (LCA) will also be conducted to analyze the impacts of the various formulation optimization strategies that will be proposed at the conclusion of this project.
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Début de la thèse : 01/10/
Funding category
Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)
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