Towards A Better Understanding of Lithium Ion Local Environment in Pure, Binary and Ternary Mixtures of Carbonate Solvents : A Numerical Approach

par Veerapandian Ponnuchamy

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Valentina Vetere et de Stefano Mossa.

Le président du jury était Timothy Ziman.

Les rapporteurs étaient Laurent Joubert, Jean-Sébastien Filhol.

  • Titre traduit

    Etude théorique et numérique de l'interaction des ions lithium dans les solvants carbonates et leurs mélanges


  • Résumé

    En raison de l'augmentation de la demande d'énergie, ressources écologiques respectueux de l'environnement et durables (solaires, éoliennes) doivent être développées afin de remplacer les combustibles fossiles. Ces sources d'énergie sont discontinues, étant corrélés avec les conditions météorologiques et leur disponibilité est fluctuant dans le temps. En conséquence, les dispositifs de stockage d'énergie à grande échelle sont devenus incontournables, pour stocker l'énergie sur des échelles de temps longues avec une bonne compatibilité environnementale. La conversion d'énergie électrochimique est le mécanisme clé pour les développements technologiques des sources d'énergie alternatives. Parmi ces systèmes, les batteries Lithium-ion (LIB) ont démontré être les plus robustes et efficaces et sont devenus la technologie courante pour les systèmes de stockage d'énergie de haute performance. Ils sont largement utilisés comme sources d'énergie primaire pour des applications populaires (ordinateurs portables, téléphones cellulaires, et autres). La LIB typique est constitué de deux électrodes, séparés par un électrolyte. Celui-ci joue un rôle très important dans le transfert des ions entre les électrodes fournissant la courante électrique. Ce travail de thèse porte sur les matériaux complexes utilisés comme électrolytes dans les LIB, qui ont un impact sur les propriétés de transport du ion Li et les performances électrochimiques. Habituellement l'électrolyte est constitué de sels de Li et de mélanges de solvants organiques, tels que les carbonates cycliques ou linéaires. Il est donc indispensable de clarifier les propriétés structurelles les plus importantes, et leurs implications sur le transport des ions Li+ dans des solvants purs et mixtes. Nous avons effectué une étude théorique basée sur la théorie du fonctionnelle densité (DFT) et la dynamique moléculaire (MD), et nous avons consideré des carbonates cyclique (carbonate d'éthylène, EC, et carbonate de propylène, PC) et le carbonate de diméthyle, DMC, linéaire. Les calculs DFT ont fourni une image détaillée des structures optimisées de molécules de carbonate et le ion Li+, y compris les groupes pures Li+(S)n (S =EC,PC,DMC et n=1-5), groupes mixtes binaires, Li+(S1)m(S2)n (S1,S2=EC,PC,DMC, m+n=4), et ternaires Li+(EC)l(DMC)m(PC)n (l+m+n=4). L'effet de l'anion PF6 a également été étudié. Nous avons aussi étudié la structure de la couche de coordination autour du Li+, dans tous les cas. Nos résultats montrent que les complexes Li+(EC)4, Li+(DMC)4 et Li+(PC)3 sont les plus stables, selon les valeurs de l'énergie libre de Gibbs, en accord avec les études précédentes. Les énergies libres de réactions calculés pour les mélanges binaires suggèrent que l'ajout de molécules EC et PC aux clusters Li+ -DMC sont plus favorables que l'addition de DMC aux amas Li+-EC et Li+-PC. Dans la plupart des cas, la substitution de solvant aux mélanges binaires sont défavorables. Dans le cas de mélanges ternaires, la molécule DMC ne peut pas remplacer EC et PC, tandis que PC peut facilement remplacer EC et DMC. Notre étude montre que PC tend à substituer EC dans la couche de solvation. Nous avons complété nos études ab-initio par des simulations MD d'une ion Li immergé dans les solvants purs et dans des mélanges de solvants d'intérêt pour les batteries, EC:DMC(1: 1) et EC:DMC:PC(1:1:3). MD est un outil très puissant et nous a permis de clarifier la pertinence des structures découvertes par DFT lorsque le ion est entouré par des solvants mélangés. En effet,la DFT fournit des informations sur les structures les plus stables de groupes isolés, mais aucune information sur leur stabilité ou de la multiplicité (entropie) lorsqu'il est immergé dans un environnement solvant infinie. Les données MD, ainsi que les calculs DFT nous ont permis de donner une image très complète de la structure locale de mélanges de solvants autour le ion lithium, sensiblement amélioré par rapport aux travaux précédents.


  • Résumé

    Due to the increasing global energy demand, eco-friendly and sustainable green resources including solar, or wind energies must be developed, in order to replace fossil fuels. These sources of energy are unfortunately discontinuous, being correlated with weather conditions and their availability is therefore strongly fluctuating in time. As a consequence, large-scale energy storage devices have become fundamental, to store energy on long time scales with a good environmental compatibility. Electrochemical energy conversion is the key mechanism for alternative power sources technological developments. Among these systems, Lithium-ion (Li+) batteries (LIBs) have demonstrated to be the most robust and efficient, and have become the prevalent technology for high-performance energy storage systems. These are widely used as the main energy source for popular applications, including laptops, cell phones and other electronic devices. The typical LIB consists of two (negative and positive) electrodes, separated by an electrolyte. This plays a very important role, transferring ions between the electrodes, therefore providing the electrical current. This thesis work focuses on the complex materials used as electrolytes in LIBs, which impact Li-ion transport properties, power densities and electrochemical performances. Usually, the electrolyte consists of Li-salts and mixtures of organic solvents, such as cyclic or linear carbonates. It is therefore indispensable to shed light on the most important structural (coordination) properties, and their implications on transport behaviour of Li+ ion in pure and mixed solvent compositions. We have performed a theoretical investigation based on combined density Functional Theory (DFT) calculations and Molecular Dynamics (MD) simulations, and have focused on three carbonates, cyclic ethylene carbonate (EC) and propylene carbonate (PC), and linear dimethyl carbonate (DMC). DFT calculations have provided a detailed picture for the optimized structures of isolated carbonate molecules and Li+ ion, including pure clusters Li+(S)n (S=EC, PC, DMC and n=1-5), mixed binary clusters, Li+(S1)m(S2)n (S1, S2 =EC, PC, DMC, with m+n=4), and ternary clusters Li+(EC)l(DMC)m(PC)n with l+m+n=4. Pure solvent clusters were also studied including the effect of PF6- anion. We have investigated in details the structure of the coordination shell around Li+ for all cases. Our results show that clusters such as Li+(EC)4, Li+(DMC)4 and Li+(PC)3 are the most stable, according to Gibbs free energy values, in agreement with previous experimental and theoretical studies. The calculated Gibbs free energies of reactions in binary mixtures suggest that the addition of EC and PC molecules to the Li+-DMC clusters are more favourable than the addition of DMC to Li+-EC and Li+-PC clusters. In most of the cases, the substitution of solvent to binary mixtures are unfavourable. In the case of ternary mixtures, the DMC molecule cannot replace EC and PC, while PC can easily substitute both EC and DMC molecules. Our study shows that PC tends to substitute EC in the solvation shell. We have complemented our ab-initio studies by MD simulations of a Li-ion when immersed in the pure solvents and in particular solvents mixtures of interest for batteries applications, e.g. , EC:DMC (1:1) and EC:DMC:PC(1:1:3). MD is a very powerful tool and has allowed us to clarify the relevance of the cluster structures discovered by DFT when the ion is surrounded by bulk solvents. Indeed, DFT provides information about the most stable structures of isolated clusters but no information about their stability or multiplicity (entropy) when immersed in an infinite solvent environment. The MD data, together the DFT calculations have allowed us to give a very comprehensive picture of the local structure of solvent mixtures around Lithium ion, which substantially improve over previous work.


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