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Alexis Dubé
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Materials Institute Carnot Alsace COMMUNIQUÉ DE PRESSE 02/06/2014 - diffusion immédiate Nouvelle réussite de recherche collaborative : le développement d une nouvelle génération d électrodes pour

1 Materials Institute Carnot Alsace COMMUNIQUÉ DE PRESSE 02/06/ diffusion immédiate Nouvelle réussite de recherche collaborative : le développement d une nouvelle génération d électrodes pour batteries lithium-ions Des chercheurs de l Institut des Sciences des Matériaux de Mulhouse (Institut Carnot MICA) et de l Institut Charles Gerhardt (Institut Carnot Chimie Balard), membres du réseau RS2E (Réseau sur le Stockage Électrochimique de l Énergie), ont réussi à créer un nouveau matériau composé de particules nanométriques carbone/étain innovant, et qui présente des performances remarquables. Alors que le développement de nouvelles générations d électrodes pour batteries lithium-ion, notamment pour véhicules électriques, est plus que jamais au coeur des priorités des recherches académiques et industrielles, ce nouveau procédé simple et respectueux de l environnement présente des avantages majeurs : Une capacité élevée à stocker de l énergie Un rendement faradique proche de 100% Soit une avancée majeure dans la réponse aux besoins énergétiques de demain. Institut de Science des Matériaux de Mulhouse (IS2M) UMR CNRS-UHA rue Jean Starcky, BP Mulhouse Cedex Institut Charles Gerhardt AIME, UMR 5253 CNRS Université Montpellier II CC Place E. Bataillon Montpellier Cedex 5 Institut Carnot MICA 1/2

2 COMMUNIQUE SCIENTIFIQUE Nanoparticules d étain confinées dans une matrice de carbone: vers de meilleures batteries lithium-ions Par un procédé simple et respectueux de l environnement, un composite carbone/étain innovant pour des applications de stockage d énergie vient d être mis au point par des chercheurs de l Institut de Science des matériaux de Mulhouse et de l Institut Charles Gerhardt*, tous deux membres du réseau RS2E (Réseau sur le stockage électrochimique de l énergie). Le secret : la possibilité de synthétiser des particules d oxyde d étain (SnO 2 ) de taille nanométrique (env. 2nm) au sein de pores d un matériau carboné. Testé comme électrode négative pour batteries lithium-ion, ce matériau présente des performances remarquables: une capacité élevée à stocker de l énergie, un rendement faradique proche de 100% et une très bonne tenue lors des cycles de charge/décharge. Il a été montré, pour la première fois, que ce confinement est le paramètre responsable de ces excellentes performances. Il évite ainsi l agglomération et limite l expansion volumique de l étain; tous deux généralement responsables des défaillances de la batterie lors des cycles de charge/décharge. Ces travaux font l objet d une publication dans la revue Advanced Energy Materials et d un brevet. Le développement de nouvelles générations de batteries lithium-ion, notamment pour véhicules électriques, reste plus que jamais au cœur des priorités des recherches académiques et industrielles. Conscient de ces enjeux stratégiques, le réseau RS2E (réseau sur le stockage électrochimique de l énergie) se mobilise plus que jamais pour répondre aux besoins énergétiques de demain. Des chercheurs de l Institut de Science des Matériaux de Mulhouse et de l Institut Charles Gerhardt de Montpellier, tous deux membres du RS2E, ont mis au point, par un procédé simple et respectueux de l environnement, un composite carbone/oxyde d étain (SnO 2 ) tout à fait innovant présentant des propriétés électrochimiques remarquables. Les matériaux pour électrode négative de batteries lithium-ion de type intermétalliques (formule générale MX n, avec M : Ni, Fe, Co.., et X : Sn, Sb, P), par exemple, sont actuellement très étudiés en raison de leur capacité de stockage électrochimique théorique bien supérieure à celle du graphite utilisé commercialement. Toutefois, le développement de ce type de matériaux reste à ce jour limité en raison d une expansion volumique non maîtrisée qui entraîne l agglomération des particules lors des cycles de charge/décharge d une batterie conduisant toutes deux à une diminution significative des performances électrochimiques. Des alternatives ont été proposées pour contourner ce problème. Toutefois, aucune n a permis d obtenir un matériau avec les performances recherchées notamment en termes de tenue au cours de nombreux cycles de charges/décharges. 1

3 La solution innovante proposée par les chercheurs du RS2E est le confinement de particules SnO 2 de taille nanométriques (env. 2nm) dans les pores interconnectés d une matrice carbonée. Cette dernière a été synthétisée par un procédé simple utilisant des précurseurs carbonés respectueux de l environnent [1]. Les nanoparticules de dioxyde d étain ont ensuite été synthétisées par réduction in-situ d un précurseur métallique imprégné dans la porosité du carbone. A souligner que la distribution de SnO 2 est homogène au sein de la porosité du carbone et que cette porosité a pu être contrôlée et ajustée pour absorber les changements de volume des particules de SnO 2 lors de la lithiation (charge de la batterie) et limiter l agglomération des particules. Un avantage certain de ce nouveau matériau C/SnO2: il est synthétisé par un procédé simple à mettre en œuvre et respectueux de l environnement. Ce matériau composite, testé comme électrode négative pour batteries lithium-ion, présente des performances remarquables. Les chercheurs relèvent notamment une capacité élevée avec une excellente tenue en cyclabilité (443 mah/g après 2000 cycles contre 370 mah/g pour le graphite utilisé dans les batteries commerciales) et un rendement faradique proche de 100% (pas de réactions parasites). Le responsable des excellentes performances : le confinement à l échelle nanométrique. Il évite ainsi l agglomération de l étain généralement responsable des défaillances de la batterie lors des cycles de charge/décharge. Outre l avantage d être un «nanoréacteur» maîtrisant les variations volumiques et l agglomération des particules de SnO 2, la matrice carbonée mise au point favorise également la conductivité électrique et la diffusion plus rapide de l électrolyte grâce à l interconnectivité des pores obtenues. Les interactions entre le carbone et les particules de SnO 2 qui ont lieu lors des cycles de charge/décharge provoquent des effets synergiques qui modifient le mécanisme d insertion/extraction du Lithium. C est une première d avoir montré expérimentalement que le confinement à l échelle nanométrique de l espèce active vis-à-vis du lithium (ici le dioxyde d étain) est un paramètre clé pour l amélioration des performances électrochimiques et que le maîtriser ouvre la porte au développement de matériaux actifs d électrodes négatives très performants pour les batteries lithium-ion. Les auteurs remercient Le Réseau sur le Stockage Electrochimique de l Energie (RS2E) pour le soutien financier. [1] Matei-Ghimbeu, C.; Le Meins, J.-M. ; Zlotea, C. ; Vidal, L. ; Schrodj, G. ; Latroche, M. ; Vix-Guterl, Controlled synthesis of NiCo nanoalloys embedded in ordered porous carbon by a novel softtemplate strategy, Carbon 2014, 67,260 * L Institut de Science des Matériaux de Mulhouse et l Institut Gerhardt sont respectivement des composantes de l Institut Carnot MICA (Materials Institute Carnot Alsace) et l Institut Carnot Chimie Balard. Publication Confined ultrasmall SnO 2 particles in micro/mesoporous carbon as an extremely long cycle-life anode material for Li-ion batteries 2

Capacity (mah/g) Efficiency (%) Ali Jahel, Camelia Matei Ghimbeu, Laure Monconduit and Cathie Vix-Guterl Accepted for publication in Advanced Energy Materials Brevet Titre : Matériau Carboné

4 Capacity (mah/g) Efficiency (%) Ali Jahel, Camelia Matei Ghimbeu, Laure Monconduit and Cathie Vix-Guterl Accepted for publication in Advanced Energy Materials Brevet Titre : Matériau Carboné Composite Comprenant Des Particules D'un Compose Susceptible De Former Un Alliage Avec Le Lithium Et Son Utilisation Comme Composant D'une Electrode Négative De Batterie Lithium-Ion Et Son Procédé De Préparation - Numéro : FR Contacts Institut de Science des Matériaux de Mulhouse (IS2M) UMR CNRS-UHA rue Jean Starcky BP Mulhouse Cedex Ali Jahel Post-doctorant Camelia Ghimbeu chargée de recherche (camelia.ghimbeu@uha.fr) Cathie Vix-Guterl directrice de recherche Institut Charles Gerhardt AIME, UMR 5253 CNRS Université Montpellier II CC Place E. Bataillon Montpellier Cedex 5 Laure Monconduit directrice de recherche Réseau sur le Stockage Electrochimique de l Energie (RS2E) FR CNRS Figure Charge Discharge Charge Discharge SnO 2 confiné dans carbone 800 cycles SnO 2 non-confiné 200 cycles Number of cycles

5 Performances en cyclage galvanostatique des composite SnO 2 confiné dans le carbone (en bleu) et SnO 2 non-confiné dans le carbone (vs. Li) à régime constant (C= 1.4 A/g) Logos 4

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