Analyse multi-modale par résonance magnétique nucléaire in situ des phénomènes électrochimiques dans des prototypes de batteries commerciales // Multi-modal in situ nuclear magnetic resonance analysis of electrochemical phenomena in commercial battery pro

Le développement des technologies de stockage d'énergie électrochimique est impossible sans une compréhension à l'échelle moléculaire des processus tels qu'ils se produisent dans les dispositifs commerciaux pratiques. Certains aspects de la conception des batteries, tels que la composition chimique et l'épaisseur des électrodes, ainsi que la configuration des collecteurs et des languettes de courant, influencent les distributions de densité de courant électronique et ionique et déterminent les limites cinétiques du transport ionique à l'état solide. Ces effets, à leur tour, modulent les performances et la longévité globales des batteries. Pour ces raisons, les résultats des tests de piles boutons conventionnelles ne convergent souvent pas vers des cellules commerciales hautes performances. Les préoccupations de sécurité liées à la forte densité énergétique et aux composants inflammables des batteries constituent un autre sujet crucial pour la conversion des énergies fossiles aux énergies vertes.
La spectroscopie et l'imagerie par résonance magnétique nucléaire (RMN, IRM) sont exceptionnellement sensibles à l'environnement structurel et à la dynamique de la plupart des éléments présents dans les matériaux actifs des batteries.
Récemment, des méthodes de RMN et d'IRM à balayage de surface prêtes à l'emploi ont été introduites. Dans le cadre de la recherche électrochimique fondamentale, la fusion de deux concepts innovants et complémentaires au sein d'un dispositif multimodal (RMN-IRM) permettrait de proposer diverses solutions analytiques et des mesures fiables de la performance des batteries pour le monde universitaire et le secteur de l'énergie.

Ce projet vise à développer un cadre analytique avancé pour l'analyse in situ de phénomènes fondamentaux tels que le transport d'ions à l'état solide, l'intercalation et les transitions de phase associées, la dynamique du placage métallique, la dégradation des électrolytes et les défauts mécaniques dans les batteries Li-ion et Na-ion commerciales, dans diverses conditions de fonctionnement. Une gamme de capteurs multimodaux (RMN-IRM) sera développée et utilisée pour l'analyse approfondie des processus électrochimiques fondamentaux dans les cellules et les petits packs de batteries commerciaux.
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Advancing electrochemical energy storage technologies is impossible without a molecular-level understand-ing of processes as they occur in practical, commercial-type devices. Aspects of the battery design, such as the chemistry and thickness of electrodes, as well as configurations of current collectors and tabs, influence the electronic and ionic current density distributions and determine kinetic limitations of solid-state ion transport. These effects, in turn, modulate the overall battery performance and longevity. For these reasons, optimistic outcomes of conventional ‘coin’ cell tests often do not converge into high-performance commercial cells. Safety concerns associated with high energy density and flammable components of batteries are another subject paramount for conversion from fossil to green energy sources.
Nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy and imaging (MRI) are exceptionally sensitive to the structural environment and dynamics of most elements in active battery materials.
Recently, plug-and-play NMR and surface-scan MRI methods have been introduced. In the context of fun-damental electrochemical research, merging two innovative complementary concepts within one multi-modal (NMR-MRI) device would enable diverse analytical solutions and reliable battery performance metrics for academia and the energy sector.
In this project, an advanced analytical framework for in situ analysis of fundamental phenomena such as sol-id-state ion transport, intercalation and associated phase transitions, metal plating dynamics, electrolyte deg-radation and mechanical defects in commercial Li- and Na-ion batteries under various operational conditions will be developed. A range of multi-modal (NMR-MRI) sensors will be developed and employed for deep analysis of fundamental electrochemical processes in commercial battery cells and small battery packs.


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Pôle fr : Direction de la Recherche Fondamentale
Département : Institut rayonnement et matière de Saclay
Service : Service Nanosciences et Innovation pour les Materiaux, la Biomédecine et l’Energie
Laboratoire : Laboratoire Structure et Dynamique par Résonance Magnétique (LCF)
Directeur de thèse : HUBER Gaspard
Organisme : CEA
Laboratoire : DRF/IRAMIS/NIMBE/LSDRM

Public/private mixed funding

Pôle fr : Direction de la Recherche Fondamentale
Département : Institut rayonnement et matière de Saclay
Service : Service Nanosciences et Innovation pour les Materiaux, la Biomédecine et l’Energie