Caractérisation et évolution du mécanisme électrochimique d'électrodes négatives à base d'étain et d'antimoine

par Philippe Antitomaso

Thèse de doctorat en Chimie et physico-chimie des matériaux

Sous la direction de Laure Monconduit.

Soutenue le 09-11-2016

à Montpellier , dans le cadre de Sciences Chimiques Balard , en partenariat avec Institut Charles Gerhardt (Montpellier) (laboratoire) .

Le président du jury était Frédéric Favier.

Le jury était composé de Laure Monconduit, Frédéric Favier, David Zitoun, Jesus Santos Peña, Loïc Simonin, Moulay Tahar Sougrati.

Les rapporteurs étaient David Zitoun, Jesus Santos Peña.


  • Résumé

    Les travaux de ce mémoire s’inscrivent dans la continuité des résultats obtenus par C. Marino sur le matériau de conversion TiSnSb. En effet, les bonnes performances électrochimiques du matériau de conversion TiSnSb vs. lithium sont dues à un mélange intime des espèces en fin de décharge. Les interfaces optimisées entre les alliages lithiés d’antimoine (Li3Sb), d’étain (Li7Sn2) et les nanoparticules de titane facilitent le transfert de charges et assurent la reconstruction du matériau TiSnSb en charge. Dans ce contexte, l’objectif était de savoir s’il était possible de créer un mélange intime d’espèces en fin de décharge, de natures et quantités façonnables, à l’origine d’un mécanisme de conversion efficace. Au travers de nombreux essais, il a été démontré que l’empreinte créée par le composé intermétallique défini dans l’électrode de départ, est la clé de l’efficience de la réaction de conversion à l’origine de bonnes performances, et qu’il est difficile de reproduire ces conditions par d’autres moyens. La synthèse des matériaux s’est alors orientée vers le matériau chimiquement le plus proche de TiSnSb, à savoir le binaire SnSb pour évaluer le rôle du titane. Ce dernier a été complètement investigué comme matériau d’électrode négative, de la synthèse jusqu’au mécanisme électrochimique du premier cycle ainsi que son évolution au cours du cyclage, en mettant en évidence son mécanisme de défaillance, à température ambiante et à 60°C. Une nouvelle méthode de synthèse d’intermétalliques comme matériau d’électrode a été développée en utilisant les micro-ondes. La synthèse se déroule sous air, sans formation d’oxydes et ne prend qu’une minute pour produire un gramme de SnSb. Les performances électrochimiques de SnSb issu de la synthèse par micro-ondes ont été comparées à celles de SnSb préparé par mécanosynthèse.Le mécanisme électrochimique du matériau SnSb peu décrit dans la littérature a été ré-investigué. Pour ce faire et compte tenu de la complexité du mécanisme électrochimique, la DRX et la spectroscopie Mössbauer 119Sn en mode operando ont été réalisées sur SnSb ainsi que la DRX operando sur le mélange Sn+Sb. L’analyse électrochimique de l’alliage SnSb, du mélange Sn+Sb ainsi que de Sb vs. Li a permis de totalement identifier le mécanisme et d’en comprendre la défaillance.La dernière partie de la thèse a été axée sur l’étude du vieillissement du mécanisme électrochimique de SnSb en fonction de la température de cyclage. Cette étude a été réalisée sur des batteries ayant cyclé plus de 6 mois à 60°C et un an à température ambiante (25°C) et a mis en évidence des phénomènes originaux non décrits dans la littérature et toujours en cours d’étude étant donnée leur complexité.

  • Titre traduit

    Characterization and evolution of electrochemical mechanism of tin- and antimony- based negative electrode materials


  • Résumé

    This thesis takes place following on from the results obtained by C. Marino on a conversion type material TiSnSb. The interesting electrochemical performance of TiSnSb vs. Li are due to a close mixture of the lithiated species at the end of the discharge. All the interfaces between lithiated antimony phase (Li3Sb), lithiated tin phase (Li7Sn2) and titanium nanoparticles are optimized, leading to a facilitated charge transfer, which assures the rebuilding of TiSnSb on charge. In this context, the main objective was to try to create same type of mixture at the end of the discharge, with an adjustable nature and amount of elements leading to an effective conversion reaction. Through numerous tests, it was proved that the pristine fingerprint material created by the intermetallic crystalline compound play a key role in the conversion mechanism, which is tricky to reproduce by some other ways.The synthesis was oriented toward SnSb to evaluate the role of titanium in the good performance of TiSnSb. Tin antimony alloy was completely investigated as negative electrode material, from the synthesis to the electrochemical mechanism at 25°C and 60°C at the first cycle and its evolution throughout the cycling. Furthermore, failure mechanism was also identified.A new synthetic route for the intermetallic compounds as electrode active materials was developed by using the microwaves. The synthesis takes place directly under air, without oxide formation in a record time of one minute for 1 gram of SnSb. Electrochemical performance of microwave-SnSb were compared with that of SnSb prepared by mecanosynthesis.The electrochemical mechanism of SnSb, poorly described in the literature was reinvestigated. Considering the complexity of the electrochemical mechanism, operando XRD and 119Sn Mossbauer spectroscopy were both performed on SnSb and on the simple mixture of Sn+Sb. Analysis of galvanostatic measurements of SnSb alloy, Sn+Sb mixture and Sb vs. Li was completed to identify the mechanism and understanding failure mechanism.The last part of the thesis was devoted to the ageing mechanism of SnSb depending on the cycling temperature. The cycling duration was 6 months and one year at 60°C and 25°C respectively. These long cycling highlighted some original phenomena, never described in the literature, which are still under investigation.


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