Relation between morphological and chemical interfacial characteristics and electrochemical properties of metallic sulfides thin films for lithium ion batteries

• Auteur / Autrice : Feng Liao
• Direction : Philippe Marcus
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie analytique. Chimie physique
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Paris 6

Mots clés

Mots clés contrôlés

Analyse électrochimique

Couches minces

Sulfures métalliques

Résumé

Les mécanismes de lithiation électrochimique, de passivation et de vieillissement de sulfures métalliques (Fe1-xS (0≤x≤0. 07), Ni3S2 et Cu2S) ont été étudiés par spectroscopie de surface (XPS et ToF-SIMS) couplée à des mesures électrochimiques. Une approche modèle des matériaux d’électrode négative de type conversion pour les batteries Li-ion a été développée. Elle repose sur l’élaboration de films minces de sulfure par croissance en milieu H2S sur substrat métallique. Le substrat sert de collecteur de courant. Les résultats montrent que la conversion/déconversion avec le lithium est réversible mais incomplète. La décharge conduit à la passivation de la surface du matériau avec formation d’une couche interfaciale (SEI) dont la composition, la stabilité et l’épaisseur ont été suivies durant le premier cycle puis en cyclage répété. Le gonflement/rétrécissement, typique des matériaux de type conversion, génère des modifications morphologiques (fissures et trous) amplifiées par cyclage répété. Un modèle mécanistique des modifications de l’électrode incluant l’influence de l’électrolyte est proposé

Surface analytical techniques were combined to study the electrochemical lithiation, passivation and ageing mechanisms of transition metal sulfides (Fe1-xS (0≤x≤0. 07), Ni3S2 and Cu2S) as conversion-type negative electrode materials for Li-ion batteries. A thin film approach was applied by thermal sulfidation of metal substrate used as current collector. The results show reversible but incomplete conversion/deconversion with lithium. Discharge leads to surface passivation with formation of the solid electrolyte interphase (SEI) layer whose chemical composition, stability and thickness were followed during the first cycle and with repeated cycling. Swelling/shrinkage, typical for conversion-type materials, causes irreversible morphological modifications (cracks and pinholes) amplified by multi-cycling. A mechanistic model of the induced thin film electrode modifications including the electrolyte influence is proposed