Prix Yves Chauvin : Modélisation moléculaire de l'interphase électrolyte solide dans les batteries au lithium

Thèse de Mohammed Bin Jassar, lauréat du Prix Yves Chauvin 2024 : « Mieux comprendre la formation et la croissance de la Solid Electrolyte Interphase dans les batteries Li-ion par une approche de modélisation moléculaire » 

La perte progressive d’autonomie des batteries lithium-ion, utilisées dans nos téléphones portables et dans les véhicules électriques, est notamment liée à la formation d’une couche dite « Solid Electrolyte Interphase » (SEI) qui s’installe entre une des électrodes et l’électrolyte de la batterie. La formation de cette couche SEI (Figure 1) a été étudiée théoriquement dans le cadre de cette thèse, via la modélisation moléculaire, afin de comprendre ses aspects thermodynamiques et cinétiques. 

Le travail a d’abord consisté à établir une base de données des réactions chimiques impliquées en utilisant la DFT¹ pour calculer les énergies de réaction et d’activation. Les simulations kMC² ont ensuite révélé que des sels comme Li₂CO₃ et Li₂O, issus de la dégradation de l'électrolyte, jouent un rôle crucial. Les simulations permettent également de prédire la perte de capacité de la batterie selon la composition initiale de la couche SEI (Figure 2) et suggèrent de considérer d'autres sels comme LiF issus de la dégradation [1].

Le second volet de la thèse s'est concentré sur l'évaluation de méthodes semi-empiriques, moins coûteuses en ressources informatiques que la DFT pure. Parmi ces méthodes, la GFN-xTB³ s'est révélée particulièrement prometteuse, car elle conduit à des temps de calcul beaucoup plus courts, avec seulement une légère perte sur la précision du résultat. Cette méthode permet notamment de modéliser des réactions de dégradation de l'électrolyte, l'insertion des ions lithium entre les couches de graphène de l’anode, la croissance de nanoparticules de sel de Li (Li₂CO₃ e, LiF, Li₂O) ou encore l’interaction entre divers composants organiques de l’électrolyte et ces nanoparticules inorganiques [4]. 

Enfin, des recherches ont été entamées sur deux autres aspects : la porosité de la couche organique poreuse de la SEI et la diffusion du solvant⁴ principal de l’électrolyte dans cette couche. La poursuite de ces travaux devrait permettre une meilleure estimation des paramètres utilisés dans des modèles phénoménologiques, appliqués aussi bien dans l'industrie automobile qu’à IFPEN pour une meilleure description du vieillissement des batteries lithium.
  

^1- La théorie de la fonctionnelle de la densité est une méthode basée sur la physique quantique permettant d’étudier les structures composées de plusieurs atomes et d’en déduire leurs propriétés physico-chimiques, comprenant leur réactivité chimique.
^2- Méthode qui permet de simuler le comportement de systèmes évoluant selon une équation maîtresse, en utilisant des données cinétiques des réactions chimiques élémentaires.
^3- La méthode GFN-xTB (Geometries, Frequencies, and Noncovalent interactions extended Tight-Binding) est une approche semi-empirique de mécanique quantique qui permet de simuler efficacement les structures moléculaires, les chemins de réaction et les interactions non covalentes.
^4- Carbonate d’éthylène.
  

Références :

1. Mohammed Bin Jassar, Carine Michel, Sara Abada, Theodorus De Bruin, Sylvain Tant, Carlos Nieto-Draghi, Stephan N. Steinmann. A Joint DFT-kMC Study To Model Ethylene Carbonate Decomposition Reactions: SEI Formation, Growth, and Capacity Loss during Calendar Aging of Li-Metal Batteries, ACS Appl. Energy Mater., 6, (2023), 6934–45.
   >> https://doi.org/10.1021/acsaem.3c00372
      

2. Maria Hellqvist Kjell, Sara Malmgren, Katarzyna Ciosek, Mårten Behm, Kristina Edström, Göran Lindbergh. Comparing aging of graphite/LiFePO4 cells at 22 °C and 55 °C – Electrochemical and photoelectron spectroscopy studies, J. Power Sources 243 (2013), 290–98.
   >> https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2013.06.011
         

3. Bramy Pilipili Matadi, Sylvie Geniès, Arnaud Delaille, Thomas Waldmann, Michael Kasper, Margret Wohlfahrt-Mehrens, Frederic Aguesse, Emilie Bekaert, Isabel Jiménez-Gordon, Lise Daniel, Xavier Fleury, Michel Bardet, Jean-Frédéric Martin, Yann Bultel. Effects of Biphenyl Polymerization on Lithium Deposition in Commercial Graphite/NMC Lithium-Ion Pouch-Cells during Calendar Aging at High Temperature, J. Electrochem. Soc. 164, (2017): A1089.
   >> https://doi.org/10.1149/2.0631706jes
       

4. Mohammed Bin Jassar, Carine Michel, Sara Abada, Theodorus De Bruin, Sylvain Tant, Carlos Nieto-Draghi, Stephan N. Steinmann. Lessons Learned from Semiempirical Methods for the Li-Ion Battery Solid Electrolyte Interphase, J. Phys. Chem. C, 128, (2024), 3269–80.
   >> https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.3c08176
      

Contacts scientifiques : theodorus.de-bruin@ifpen.fr et Carlos Nieto-Draghi

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