Composés d’insertion tridimensionnels (3-D) pour batteries : relations structure-électrochimie et mise en forme

En raison de sa densité énergétique élevée ainsi que de son rapport performance-coût attractif, la technologie Li-ion s’impose comme le système électrochimique de choix pour la mobilité électrique et les applications réseau avec des projections de marché assez vertigineuses (>3000 GWh en 2030). Cela n’ira pas sans poser des interrogations au niveau de l’abondance de matériaux, du recyclage et de la conception de matériaux d’électrodes plus éco-compatibles tout en préservant, voire en augmentant, leur densité d’énergie. Ces matériaux d’électrodes positives, qui reposent sur des réactions d’insertion, sont encore perfectibles. Les cours de 2022 se sont limités aux matériaux d’insertion lamellaires, oxydes ou sulfures, capables d’insérer des ions Li⁺ ou Na⁺. Ainsi, les phases lamellaires Li(Ni_1-x-yMn_xCo_y)O₂, aussi dénotées (NMC) à l’origine des batteries Li-ion les plus performantes (250 Wh/kg, 700 Wh/l) et qui à ce jour alimentent les véhicules électriques, ont été introduites. Force est cependant de constater qu’en raison de la conjoncture économique, des matériaux moins performants mais plus éco-compatibles de structure tridimensionnelle, tels LiFePO₄, deviennent attractifs et pourraient détrôner les NMC pour des véhicules bas de gamme ou de transport lourds (camions et bus). Le cours de cette année sera donc dédié aux familles de matériaux d’électrodes 3-D et suivra le déroulement historique de leurs découvertes. Dans chacun des cas, l’effet du procédé d’élaboration, de la stœchiométrie des phases et de la structure sur les propriétés électrochimiques du matériau sera présenté. Les composés de type spinelle Li[Mn(Ni)]₂O₄ seront traités en premier. Ils seront suivis par les composés dits « polyanioniques » de type AMXO₄ à base de polyanions phosphates, borates, silicates et sulfates. Les composés d’insertion 3-D à base de Na seront abordés en conclusion. Ces cours seront suivis par des séminaires dédiés au recyclage (P. Barboux), à la chimie d’intercalation de composés fluorés ou anions mixtes (V. Maisonneuve et C. Tassel) et enfin à la synthèse et à l’élaboration de nouveaux matériaux 3-D pour des applications optiques ou électroniques (S. Jobic et M. Hayward) respectivement. Les matériaux organiques comme alternative aux composés inorganiques (P. Poizot) clôtureront cette série de séminaires.