Matériaux d'électrode négative pour accumulateurs à ions lithium : étude des systèmes binaires Li-Ga et Li-B et des composites silicium-carbone

New negative electrode materials for Li-ion batteries : study of Li-Ga and Li-B binary systems and development of Si/C composites.

• Auteur / Autrice : Juliette Saint
• Direction : Jean-Marie Tarascon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie du solide et sciences des matériaux
• Date : Soutenance en 2005
• Etablissement(s) : Amiens

Mots clés

Mots clés contrôlés

Piles au lithium

Résumé

La mise au point d’un matériau d’électrode négative pour accumulateurs au lithium pouvant supplanter le graphite, en vue de nouvelles applications comme le véhicule électrique, génère un nombre croissant d’études de par le monde. Parmi les prétendants, les alliages à base de lithium (LixMy) sont les plus prometteurs et de nombreuses voies sont à explorer. Les alliages LixSiy présentent la plus forte capacité électrochimique (4200 mAh/g; plus de dix fois celle du graphite) mais leur très mauvaise réversibilité empêche leur utilisation. Pour pallier ce problème, différentes approches ont été développées parmi lesquelles l’utilisation de composites Si/C semble la plus efficace et a été poursuivie dans cette étude. En parallèle, d’autres systèmes binaires tels que Li-Ga et Li-B, jusqu’alors négligés en dépit de potentialités intéressantes, ont fait l’objet d’une étude approfondie dans ce travail. La mécanosynthèse s’est avérée être une technique parfaitement adaptée pour l’élaboration d’alliages LixGay mais tout à fait inappropriée pour celle des composés LixBy. Pour chacun de ces systèmes, très riches d’un point de vue structural, nous avons mis en évidence des transformations parfaitement réversibles dans un domaine de stœchiométrie restreint, phénomène inhabituel pour des alliages/intermétalliques à base de lithium. Néanmoins, l’exploitation des fortes capacités des composés LixGay et LixBy reste cependant limitée par un effritement de l’électrode qui affecte la réversibilité des processus électrochimiques. Nous avons également mis en évidence que les performances électrochimiques des composites Si/C obtenus par pyrolyse de mélanges Si nanométrique/polychlorure de vinyl étaient nettement supérieures à celles du silicium seul. Il n’en demeure pas moins qu’il reste un travail important d’optimisation à réaliser en raison d’une grande sensibilité des composites vis à vis du broyage. Toutefois, nous avons démontré, grâce aux spectroscopies Raman et EELS, le rôle primordial de l’interface Si-C et notamment de la pression exercée par la matrice de carbone sur les particules de silicium qui permet de maintenir une capacité supérieure à 1000 mAh/g sur plusieurs dizaines de cycles.