New polymer membranes and liquid electrolytes for Lithium-ion batteries
Nouvelles membrane polymères et électrolytes liquides pour batteries Li-ion.
Résumé
Li-ion batteries have become the dominant power storage devices for portable electronics, and researchers are still at work to broaden their field of use to high energy density devices, like cars. Within the framework of the collaborative project AMELIE - Green car, this study articulates along 2 main axes. The first one deals with the synthesis and characterization of new fluorinated solvents and salts to replace, for the use with high potential materials such as LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2 or LiNi0,4Mn1,6O4, the commonly used LiPF6 and carbonate-based electrolytes, which suffer from a high self-discharge ratio, and an insufficient thermal and chemical stability. The use of fluorinated carbonates, carbamates, and sulfonamides as solvents provides performances as good as the commercial references, even if we register a visible loss in conductivity. Moreover, the fluorination provides these molecules with higher thermal and electrochemical stabilities. About the salts, several new structures of sulfonamide salts were synthesized and tested in combination with commercial solvents, with interesting results from the point of view of conductivity and the electrochemical stability.The second part of this study deals with the development of thin perfluorinated separators, which could compete with commercial references such as Celgard® separators and whose production could be easily up-scale. To do this, dense and porous separators were prepared from several PVdF grades. Since the porous membranes, the most promising for the battery applications, suffer from a relatively low mechanical strength, 2 reinforcement techniques were also evaluated: the first one consists in cross-linking the polymer after grafting of polymerizable groups; the second one consists in adding Nano Cristalline Cellulose (NCC) particles to form a reinforcing percolating network. Both methods give promising results with dense membranes: a 2- to 5-fold increase of storage modulus is observed at 25°C, in addition to interesting electrochemical properties. The transfer of these promising results to the porous membranes is still to be optimized, but a partial reinforcement was obtained for nano-composites porous membranes, while the good conductivity (still largely superior to 1 mS/cm) and porosity make them attractive options for high charge rate batteries.
Les batteries Li-ion sont la technologie de référence pour l'électronique portable, et l'un des objectifs est le développement de cette technologie pour des applications demandant de fortes densités d'énergie, comme la traction. Ce travail, mené dans le cadre du projet Européen AMELIE- Green Car, porte sur deux aspects. Le premier concerne la synthèse et la caractérisation de nouveaux solvants et sels performants et pouvant être utilisés avec des matériaux à haut potentiel tels que LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2 ou LiNi0,4Mn1,6O4, en remplacement des électrolytes courants à base de LiPF6 et de carbonates, qui induisent une forte d'autodécharge et présentent des stabilités thermique et chimique insuffisantes. L'utilisation de carbonates, carbamates et sulfonamides fluorés en tant que solvants, permet d'obtenir, pour certaines des formulations évaluées, des performances comparables aux références commerciales, malgré des conductivités inférieures. De plus, la fluoration confère à ces molécules des stabilités thermique et électrochimique améliorées. En ce qui concerne les sels, plusieurs nouvelles structures ont été synthétisées et testées en combinaison avec des solvants commerciaux, avec des résultats intéressants du point de vue de la conductivité et du comportement électrochimique.La deuxième partie de ce travail concerne la mise en forme, par des procédés industriels, de séparateurs minces à base de polymères fluorés, qui présentent des performances comparables aux séparateurs commerciaux. Des membranes denses et poreuses ont été élaborées à partir de plusieurs grades de PVDF. Les membranes poreuses élaborées, présentant des taux de porosité élevés, montrent de faibles tenues mécaniques, deux stratégies de renfort ont ainsi été étudiées : la première via la réticulation des membranes après greffage de groupements polymérisables, la deuxième via l'incorporation de Cellulose Nano Cristalline (CNC), formant un réseau percolant permettant le renfort. Les deux méthodes ont donné des résultats prometteurs sur les membranes denses : le module de conservation augmente entre 2 et 5 fois à 25°C tout en conservant des performances électrochimiques intéressantes. Le transfert de ces propriétés aux membranes poreuses est encore à optimiser ; cependant un renfort partiel a été obtenu pour les membranes composites poreuses, ce qui en fait, en combinaison avec une bonne conductivité (largement au dessus de 1mS/cm) et porosité, des candidats attractifs pour des accumulateurs Li-ion à charge rapide.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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