Optimisation d'électrodes composites pour accumulateurs Li-ion de puissance élaborées en milieux aqueux

Optimization of composite electrodes designed for Li-ion applications requiring power performance, processed through aqueous route

• Auteur / Autrice : Claire Fongy
• Direction : Dominique Guyomard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux. Chimie du solide
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matériaux, Matières, Molécules en Pays de la Loire (3MPL) (Le Mans ; 2008-2021)
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Nantes. Faculté des sciences et des techniques
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Séverine Jouanneau Si Larbi, Bernard Lestriez

Mots clés

Mots clés contrôlés

Solutions aqueuses (chimie)

Batteries lithium-ion

Électrodes

Mots clés libres

LiFePO4

Résumé

Ces travaux portent sur l'optimisation d'électrodes composites positives et négatives, respectivement à base de LiFePO4 et de Li4Ti5O12, pour accumulateurs Li-ion de puissance. Dans le cadre de l'élaboration d'électrodes par voie aqueuse, des formulations optimisées ont été définies pour les deux matériaux d'électrodes LiFePO4 (thèse W. Porcher – 2007) et Li4Ti5O12 par étude couplée des dispersions d'encre, des morphologies d'électrodes et des performances finales. A partir de ces électrodes, dont les performances électrochimiques sont évaluées en configuration demi-pile par rapport à du lithium métal, une étude systématique est menée sur les courbes de décharge qui caractérisent l'insertion du lithium dans la structure cristalline des matériaux d'électrodes. La réponse électrochimique du système est étudiée précisément suivant les paramètres de formulation (modification de l'agent conducteur et/ou des additifs polymères), de mise en oeuvre (épaisseur, grammage) et de structure des électrodes (porosité, tortuosité). Il en résulte une discrimination des différentes contributions résistives et des différentes limitations cinétiques de l'électrode (matériau d'électrode et son environnement) selon le grammage, la porosité et le régime de fonctionnement. Par l'identification de ces limitations, un début de diagnostic peut alors être avancé quant aux paramètres sur lesquels agir (conduction électronique, conduction ionique, architecture d'électrode, morphologie du matériau d'électrode) pour optimiser les performances des électrodes considérées

This work focuses on the optimization of composite positive and negative electrodes, respectively based on LiFePO4 and Li4Ti5O12 materials, for Li-ion power accumulators. In the framework of electrodes elaboration via aqueous route, optimized formulations were defined for both LiFePO4 (W. Porcher's PhD - 2007) and Li4Ti5O12 electrode materials by coupling studies of ink dispersions, electrode morphologies and final performance. From these electrodes, electrochemically tested in coin cells vs. A lithium foil electrode, a systematic study is carried out on the discharge curves that characterize the lithium insertion in the electrode materials crystalline structure. The electrochemical response of the system is studied precisely as a function of the electrode formulation (modification of the conductive agent and/or polymer additives), the electrode processing (thickness, loading) and the electrode structure (porosity, tortuosity). This thorough analysis leads to a discrimination of the electrode different resistive contributions and kinetics limitations (electrode material and its environment) as a function of the electrode loading and porosity, and of the discharge rate. By identifying these limitations, a diagnosis can be propounded regarding the electrodes parameters on which one could play (electronic conduction, ionic conduction, electrode architecture, electrode material morphology) so as to optimize the electrode performance