Collège de France
Jean-Marie Tarascon
Chimie du solide et de l'énergie
Année 2021-2022
Design de matériaux d'électrodes : des relations structure-électrochimie à leur élaboration
Le stockage électrochimique de l'énergie via les batteries s'avère essentiel pour la lutte contre le réchauffement climatique, la sécurité énergétique et, de fait, pour la transition écologique. Ayant la densité énergétique la plus élevée, les modèles lithium-ion (Li-ion) sont devenus la technologie de choix pour la mobilité électrique et les applications réseaux. Cependant, ils sont encore perfectibles. La recherche actuelle se focalise sur le développement d'électrolytes thermodynamiquement plus stables, sur l'introduction dans les batteries de fonctions de diagnostic et d'autoréparation pour augmenter leur durée de vie ainsi que sur la découverte de nouveaux matériaux d'électrodes négatives et positives. Après avoir traité les problématiques des électrolytes et du diagnostic, les cours de 2022 porteront sur les matériaux d'insertion pour les électrodes positives et les relations entre la structure et les propriétés. Il n'est pas surprenant que la chimie du solide, dont l'art est de manipuler, mélanger et assembler des atomes pour en faire des édifices à structure et morphologie contrôlées, est joué dès les années 1970 un rôle central dans le développement de la technologie Li-ion. Cette technologie doit notamment son existence à la découverte des composés d'insertion du Li. Les cours de cette année nous permettrons de remonter le temps et de nous attarder sur les sulfures et les oxydes lamellaires substitués actuellement utilisés dans les batteries Li-ion. Nous devons rappeler que les pionniers de ces matériaux, à savoir S. Whittingham et J. Goodenough, sont respectivement les lauréats du prix Nobel 2019. L'émergence récente d'oxydes lamellaires riches en Li, siège d'une activité redox anionique, constitue un changement de paradigme dans l'élaboration de nouveaux matériaux. Ce dernier point sera également abordé sous l'angle de considérations structurales et des structures de bandes, et ce indépendamment de la nature des ions alcalins (Li+, Na+). L'effet de la dimensionnalité des matériaux d'électrodes (passage 2D à 3D) sur les propriétés d'insertion sera aussi traité via l'étude de composés de structure spinelles ou de phases polyanioniques à bases de phosphates, de borates, de silicates ou d'oxy-fluorures. Ces cours seront suivis par des séminaires délivrés par des notoriétés françaises de la chimie du solide (A. Demourgues, L. Cario, C. Serre et D. Portehault) et des notoriétés internationales (Y. Gogotsi, et S. Clarke).