Toward protected metallic negative electrodes for alkali-metal batteries : Concentrated electrolytes and protective layers

En 2021, la batterie Li-ion domine largement le marché mondial des batteries mais atteint ses limites en termes de densités d’énergie. L’augmentation incessante de la demande de systèmes toujours plus performants pour le stockage d’énergie entraîne la communauté scientifique vers de nouvelles technologies. Le lithium métal, avec une capacité spécifique théorique dix fois supérieure à celle du graphite actuellement utilisé comme matériau d’électrode négative dans les batteries Li-ion, est le candidat idéal pour le développement de batteries à haute densité d’énergie. Il possède cependant l’inconvénient majeur de former des dendrites lors de la charge pouvant mener à des courts-circuits et l’inflammation de la batterie.Ces travaux de recherche ont été consacrés à l’étude de deux stratégies visant à modifier le milieu électrolytique et/ou la surface de l’électrode dans l’objectif de limiter la croissance de dendrites. Ces deux approches ont aussi une forte influence sur la couche de passivation, dite Solid Electrolyte Interphase (SEI) à l’interface électrode/électrolyte, qui a été également étudiée. Ces stratégies ont été également étendues au sodium et au potassium métal, à la base de système alternatif au lithium actuellement sous étude pour des applications de stockage à grande échelle.Pour les deux stratégies proposées, c’est à dire l’utilisation d’électrolytes concentrés et la formation d’une couche protectrice à la surface de l’électrode métallique, les mesures galvanostatiques ont révélé des améliorations en termes de dépôt électrochimique des différents métaux alcalins. L’analyse des électrolytes et électrodes par des techniques de caractérisation ex situ, in situ ou operando a permis de mettre en évidence des différences dans la nature des SEI formées au cours des cycles de charge/décharge pouvant être à l’origine de ces améliorations.Mots clés : Batteries Li-métal, électrode négative métallique, dendrites, électrolyte concentré, couche protectriceAlthough Li-ion batteries are predominant in the actual battery market, they have reached their limits in terms of energy density. The ever-increasing demand of more energetic and powerful systems stimulated the research of new technologies. Lithium metal is the perfect candidate for high energy batteries because of its theoretical specific capacity, ten times higher than graphite, the current negative electrode in Li-ion batteries. However, the use of lithium metal as negative electrode promotes the growth of dendrites that can cause short-circuits and fire hazards.This research work was devoted to the study of two strategies aiming at modifying the electrolyte medium and/or the surface of the electrode in order to limit the formation of dendrites. These two approaches also have a strong influence on the so-called Solid Electrolyte Interphase (SEI), a passivation layer at the electrode/electrolyte interface, which was also studied. These strategies were then extended to sodium and potassium metal, innovating systems alternative to lithium currently under investigation for large-scale energy storage applications.For the two applied strategies, namely the use of highly concentrated electrolytes and the formation of a protective layer on top of the metallic electrode surfaces, the electrochemical depositions of lithium, sodium and potassium were improved. These improvements are attributed to the different SEI formed during the plating/stripping cycles, which are highlighted by ex situ, in situ or operando characterizations.Keywords : Li-metal batteries, metallic electrodes, dendrites, concentrated electrolyte, protective laye