Fortes des connaissances acquises sur la synthèse par précipitation de l’alumine pour les catalyseurs hétérogènes, les équipes d’IFPEN se sont lancées sur la synthèse des précurseurs de matériaux actifs pour les cathodes (pCAMa) de batteries Li-ion. En effet, ces matériaux aussi sont obtenus par précipitation dans des cuves agitées, ce qui présente certaines similitudes avec la synthèse de l’alumine (phénomènes de nucléation, croissance et agglomération). Ils offrent néanmoins leur lot de défis qui ouvrent autant de nouvelles voies de recherche.
Par exemple, cette opération fait intervenir des réactions extrêmement rapides et des solubilités très faibles, ce qui donne lieu dans le réacteur à des niveaux et des gradients de sursaturation (force motrice de la précipitation) très élevés. Dans ces conditions, l’hydrodynamique et le mélange sur différentes échelles (macro, méso et micro) deviennent les facteurs limitants de la formation du précipité.
Pour la conception et la mise en œuvre du réacteur, il est indispensable de comprendre les différents phénomènes physiques intervenant dans cette synthèse, ainsi que leurs interactions. Cela passe par le développement d’un modèle couplé multiphysique : thermodynamique - cinétique - bilan de population – hydrodynamique. Celui-ci a été initié et mobilisera des compétences dans chacun des 4 domaines en question. A ce jour, les modèles thermodynamiques et cinétiques ne sont pas optimisés et le modèle de bilan de population n’est pas pris en compte (exemple de simulation à la figure 1).
Ce travail sera accompli dans le cadre de deux thèses doctorales, lancées fin 2024, qui visent à caractériser et modéliser les différents phénomènes de formation des particules de précurseurs.
La première thèse, portée par la direction Physique et Analyse, vise à capter les phénomènes aux temps courts (nucléation puis croissance des cristaux élémentaires) en mettant au point des méthodes analytiques pour les détecter et les quantifier.
La seconde thèse, hébergée par la direction Conception Modélisation Procédés, se focalisera sur la compréhension et la modélisation de l’impact de l’hydrodynamique sur les phénomènes aux temps plus longs (croissance, agglomération, attrition, brisure).
a- Precursors of Cathode Active Materials
Contacts scientifiques : jan.verstraete@ifpen.fr - rim.brahem@ifpen.fr