Les accumulateurs au sodium et sodium-ion, une nouvelle génération d’accumulateurs électrochimiques : synthèse et électrochimie de nouveaux matériaux d’électrodes performants

Sodium batteries and sodium-ion batteries, a new family of rechargeable batteries : synthesis and electrochemistry of new high performance electrode materials

• Auteur / Autrice : Le Thanh Nguyen Huynh
• Direction : Jean-Pierre Pereira-Ramos, Rita Baddour-Hadjean
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 31/10/2016
• Etablissement(s) : Paris Est en cotutelle avec Université de Sciences d'Hô-Chi-Minh-Ville. Faculté de chimie organique
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Chimie et des Matériaux Paris-Est (Thiais, Val-de-Marne) - ICMPE-UMR 7182
• Jury : Président / Présidente : Sylvain Franger
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Pierre Pereira-Ramos, Rita Baddour-Hadjean, Pierre Bonnet, My Loan Phung Le
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jesús Santos Peña, Henri Groult

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie Raman

Composés d'insertion

Électrochimie

Accumulateurs

Mots clés libres

Batterie au sodium

Batteries sodium-Ion

Cinétique électrochimique

Composés d’intercalation

Électrochimie du solide

Spectroscopie Raman

Sodium battery

Na-Ion batteries

Electrochemical kinetics

Intercalation compounds

Solid state electrochemistry

Raman spectroscopy

Résumé

Les accumulateurs au lithium jouent un rôle important comme source d'alimentation pour les appareils électroniques portables en raison de leur forte capacité gravimétrique et volumétrique et leur haute tension. En outre, la technologie lithium-ion est la mieux placée pour une application à grande échelle, telle que le véhicule électrique, ce qui pose un problème de ressource et à terme, de coût. Une des réponses envisagées sur le plan économique et environnemental est le développement d’accumulateurs sodium-ion. Dans tous les cas, le problème scientifique consiste à proposer des matériaux d’insertion des ions sodium avec un caractère réversible de la réaction électrochimique, et une durée de vie compétitive par rapport aux systèmes au lithium. Le travail présenté se situe dans cet effort de recherche. Les potentialités de matériaux dérivés du pentoxyde de vanadium, de structure 2D, sont étudiées comme composés d’intercalation du sodium: le composé de référence V2O5, le bronze performant dérivé de V2O5 de formule K0,5V2O5, ε’-V2O5, ainsi que le composé au manganèse de type lamellaire : la birnessite sol-gel et sa forme dopée au cobalt. Les relations structure-électrochimie sont élucidées à travers une étude combinant propriétés électrochimiques, diffraction des Rayons X et spectroscopie Raman des matériaux à différents taux d’insertion, en fin de réaction et après cyclages galvanostatiques. De nouvelles phases sont obtenues et des capacités spécifiques comprises entre 100 et 160 mAh/g dans le domaine de potentiel 4V-1V peuvent être obtenues avec parfois une stabilité remarquable comme dans le cas de NaV2O5 et ε’-V2O5

Since commercialization, Li-ion batteries have been playing an important role as power source for portable electronic devices because of high gravimetric, volumetric capacity and high voltage. Furthermore, the lithium-ion technology is best suited for large-scale application, such as electric vehicles, which poses a resource problem and ultimately cost. On the contrary, sodium is a most abundant element, inexpensive and similarly properties as lithium. In order to solve the problem of lithium raw resource, sodium is proposed as a solution for next generation power source storage. This work investigates the potential derivative vanadium pentoxide materials as sodium intercalation compounds: the V2O5 reference compound, the promizing potassium bronze K0,5V2O5, ε'-V2O5, as well as a lamellar manganese oxide: the sol-gel birnessite and its doped cobalt form. The structure-electrochemistry relationships are clarified through a study combining electrochemical properties, X-ray diffraction and Raman spectroscopy of materials at different insertion rate, end of the reaction and after galvanostatic cycling. New phases are highlighted and specific capacities between 100 and 160 mAh / g in the field of 4V-1V potential can be obtained with sometimes remarkably stable as in the case of NaV2O5 and ε'-V2O5