NantilusÉtude de liants de coordination pour électrodes négatives au silicium de batteries lithium-ion
Le silicium est un matériau prometteur pour augmenter la densité d énergie des batteries lithium-ion. Il délivre une capacité gravimétrique et volumique respectivement 10 et 3 fois supérieure à celle du graphite, qui est le matériau d électrode négative de référence. Cette différence vient de la qua...
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| Collectivités auteurs : | , , , |
| Format : | Thèse ou mémoire |
| Langue : | français |
| Titre complet : | Étude de liants de coordination pour électrodes négatives au silicium de batteries lithium-ion / Lucas Huet; sous la direction de Bernard Lestriez et de Thomas Devic et de Lionel Roue |
| Publié : |
2022 |
| Accès en ligne : |
Accès Nantes Université
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| Note sur l'URL : | Accès au texte intégral |
| Note de thèse : | Thèse de doctorat : Chimie des matériaux : Nantes Université : 2022 Thèse de doctorat : Chimie des matériaux : Institut national de la recherche scientifique (Québec, province) : 2022 |
| Sujets : |
| Résumé : | Le silicium est un matériau prometteur pour augmenter la densité d énergie des batteries lithium-ion. Il délivre une capacité gravimétrique et volumique respectivement 10 et 3 fois supérieure à celle du graphite, qui est le matériau d électrode négative de référence. Cette différence vient de la quantité de lithium qui réagit avec le silicium, allant jusqu à l alliage c-Li15Si4. Cependant, cela s accompagne d une expansion atteignant jusqu à 280 % du volume initial du matériau. Outre les problématiques de fissuration et porosification intrinsèques au silicium, deux mécanismes de défaillance majeurs des électrodes se manifestent alors au cours de leur cyclage : - La dégradation continue de l électrolyte, à cause de la déstabilisation de la couche de passivation à l interface avec l électrolyte ; - La fragmentation et/ou délamination du film d électrode, en raison de la défaillance du liant. Dans ce contexte, l amélioration des propriétés physico-chimiques du liant, utilisé dans la fabrication des électrodes, est cruciale pour atténuer leur dégradation mécanique. Pour cela, un liant de type poly(acide carboxylique), classique pour les électrodes de silicium, est réticulé par des liaisons de coordination grâce au simple ajout d une source de cation divalent (ex. ZnSO4, ZnO). Le réseau de coordination ainsi formé améliore significativement le comportement mécanique des électrodes. Le liant de coordination semble aussi agir comme une couche de passivation artificielle, limitant ainsi la dégradation de l électrolyte à la surface du silicium. Ces effets combinés améliorent grandement la tenue au cyclage des électrodes. Silicon is a promising material to enhance the lithium-ion batteries energy density. It delivers a gravimetric and volumetric capacity respectively 10 and 3 times higher than graphite, which is the reference negative electrode material. This difference comes from the amount of lithium that reacts with silicon, up to the c-Li15Si4 alloy. However, it comes an expansion of up to 280% of the initial volume of the material. Thus and besides the intrinsic silicon problematics (cracking/porosification), two major electrode failure mechanisms are experienced upon cycling: - A continuous electrolyte degradation, due to the passivating solid electrolyte interphase (SEI) layer destabilization; - The electrode film fragmentation and/or delamination, due to binder failure. In this context, improvement of the physico-chemical properties of the binder, used for the electrode manufacturing, is crucial to mitigate their mechanical degradation. For this purpose, a poly(carboxylic acid) binder, which is typical for silicon electrodes, is reticulated by coordination bonds thanks to the simple addition of a divalent cation source (e.g. ZnSO4, ZnO). The resulting binder cross-linked network significantly improves the electrode mechanical behavior. It also appears that the coordination binder acts as an artificial SEI, limiting the electrolyte degradation on the covered silicon surface. Combined, these effects greatly improve the electrode capacity retention. |
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| Variantes de titre : | Study of coordination binder for silicon negative electrodes of lithium-ion batteries |
| Notes : | Thèse soutenue en co-tutelle Titre provenant de l'écran-titre Ecole(s) Doctorale(s) : École doctorale Matière, Molécules Matériaux et Géosciences (Le Mans) Partenaire(s) de recherche : Institut des Matériaux Jean Rouxel (Nantes) (Laboratoire) Autre(s) contribution(s) : Laure Monconduit (Président du jury) ; Anthony Bonnet, Willy Porcher, Ana Tavares (Membre(s) du jury) ; Laure Monconduit, Pascale Chenevier (Rapporteur(s)) |
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