Préparation d’électrodes positives au phosphate de fer lithié par voie extrudée pour batteries tout-solides au lithium

Abstract

La transition énergétique qui s’opère depuis la dernière décennie et l’augmentation constante du nombre de nouveaux appareils électroniques portables créent une importante demande pour des batteries Li-ion. Des efforts sont mis à travers le monde par des entreprises privées, des institutions académiques et des gouvernements pour développer des moyens de production toujours plus grands. Malgré les objectifs de décarbonations associés aux batteries Li-ion, leur production à grande échelle entraîne une empreinte carbone non-négligeable et leur utilisation implique des dangers liés aux liquides inflammables utilisés comme électrolytes. La préparation d’électrodes est faite en grande majorité par enduction d’encre, une technique qui permet la dispersion des matières actives, des additifs conducteurs et du liant polymérique dans un encre qui est ensuite laminée à une épaisseur donnée puis séchée pour obtenir un matériau solide poreux. Cette étape de séchage est très énergivore et coûteuse car elle nécessite des systèmes de chauffage, de ventilation et de récupération des vapeurs de solvants sophistiqués. Il y aurait donc avantage à développer des méthodes de préparation d’électrodes ne nécessitant pas de solvants pour permettre de réduire l’impact environnemental et réduire le coût de production des batteries Li-ion. L’extrusion de polymères est une méthode permettant le mélange de polymères en les chauffant au-dessus de leur température de fusion et en forçant la mixtion par l’action de vis. En utilisant cette méthode, il a été possible de préparer des électrodes positives et des électrolytes solides qui ont été utilisées dans des batteries lithium métal (Li-M) ne contenant pas de solvants. Il sera question de la préparation de polymères électrolytes par extrusion en mélangeant deux polymères avec un sel de lithium et de leur utilisation dans une batterie au lithium contenant une électrode négative de lithium métallique. Ces électrolytes polymères seront ensuite utilisés comme liants dans des électrodes préparées par extrusion. Il sera également sujet dans ce mémoire de l’utilisation de l’extrusion pour préparer des électrodes de batteries Li-ion à base de phosphate de fer lithié (LFP) et de l’impact de la formulation de ces électrodes sur leurs performances. Différentes techniques électrochimiques et physiques seront utilisées pour caractériser les matériaux préparés. The ongoing energy transition combined with the continuous increase in the number of new portable electronic devices, has resulted in a significant increase in demand for lithium-ion batteries. A concerted global effort is underway, involving private companies, academic institutions and governments, to develop increasingly large-scale production methods. Despite the decarbonisation objectives associated with Li-ion batteries, their large-scale production entails a substantial carbon footprint, and their use raises safety concerns pertaining to the flammable liquid electrolyte. Electrode preparation is predominantly accomplished through slurry casting, a technique involving the dispersion of active materials, conductive additives, and polymer binders within a slurry. This slurry is then laminated to the desired thickness and dried to form a porous solid material. This drying step is very energy-intensive and costly due to the requirement of sophisticated heating, ventilation, and solvent vapor recovery systems. Consequently, there is a clear benefit in the development of electrode preparation methods that do not require solvents, with the aim of reducing the environmental impact and production costs of Li-ion batteries. Polymer extrusion is a method that enables polymers to be mixed by heating them above their melting temperature and then forcing mixing through the action of screws. This method was used to prepare positive electrodes and solid electrolytes for solvent-free, solid-state Li-ion batteries. This thesis will discuss the preparation of polymer electrolytes, namely the mixing of two polymers with a lithium salt, and their use in a lithium battery containing a lithium metal negative electrode. These polymer electrolytes will then be used as binders in electrodes prepared by extrusion. This thesis will also discuss the use of extrusion to prepare Li-M battery electrodes based on LFP (use name not acronym) and the impact of the formulation of these electrodes on their performance. Characterization of the prepared materials will be undertaken through a range of electrochemical and physical techniques.