Impression 3D de batteries par dépot d'encres // 3D printing of batteries by ink deposition

L'objectif de la thèse est la fabrication de batteries Li ou Na-ion en utilisant l'impression 3D. Pour cela, une imprimante 3D spécifique (Neotech AMD) sera utilisée pour permettre l'impression multi-matériaux (2 pour les électrodes, 1 pour le séparateur et 1 pour le casing) par dépôt d'encres de différentes viscosités. Afin d'y arriver, des matériaux «model» d'électrodes seront utilisés afin de pouvoir comparer directement les performances des batteries ainsi conçues aux batteries fabriquées de manière conventionnelle. Il sera nécessaire d'étudier la formulation des encres semi-solides pour la cathode, l'anode et le séparateur (dans l'hypothèse de fabrication de batteries dites « tout solide », ASSB) pour l'écriture directe des batteries Li ou Na-ion. Le premier objectif est d'être capable d'imprimer en une seule étape les différents composants pour envisager son intégration directe dans un objet imprimé afin d'obtenir une batterie structurale. La deuxième originalité de la thèse est liée aux géométries non planes pouvant être fabriquées par impression 3D. Des simulations numériques et quelques études expérimentales ont montré le gain potentiel en termes de performance. Ainsi plusieurs architectures 2.5D voire 3D seront étudiées afin de construire une batterie entièrement imprimée en 3D, qui pourrait fournir une capacité surfacique d'environ 4 mAh.cm-2 à une densité de courant de 0,1 mA.cm-2.
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The aim of the thesis is to manufacture Li or Na-ion batteries using 3D printing. To achieve this, a specific 3D printer (Neotech AMD) will be used to enable multi-material printing (2 for the electrodes, 1 for the separator and 1 for the casing) by depositing inks of different viscosities. In order to achieve this, “model” electrode materials will be used so that the performance of batteries designed in this way can be directly compared with conventionally manufactured batteries. It will be necessary to study the formulation of semi-solid inks for the cathode, anode and separator (assuming the manufacture of so-called “all-solid” batteries, ASSB) for the direct writing of Li or Na-ion batteries. The first objective is to be able to print the various components in a single step, so that they can be integrated directly into a printed object to create a structural battery. The second original feature of the thesis relates to the non-planar geometries that can be produced by 3D printing. Numerical simulations and a number of experimental studies have demonstrated the potential gain in terms of performance. Thus, several 2.5D or even 3D architectures will be studied in order to build a fully 3D-printed battery, which could provide a surface capacity of around 4 mAh.cm-2 at a current density of 0.1 mA.cm-2.
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Début de la thèse : 01/10/2025

Financement d'une collectivité locale ou territoriale

Université de Picardie - Jules Verne

585 Sciences, Technologie, Santé

Electrochimie, science des matériaux, caractérisations, assemblage batterie
Electrochemistry, materials science, characterization, battery assembly