Structural and Electrochemical Properties of Li2MSiO4 (M = Fe, Mn) cathode materials for Li-ion batteries

• Auteur / Autrice : Chutchamon Sirisopanaporn
• Direction : Robert Dominko, Christian Masquelier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux
• Date : Soutenance en 2011
• Etablissement(s) : Amiens en cotutelle avec Univerza v Ljubljani
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, technologie et santé (Amiens)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de réactivité et chimie des solides (Amiens ; 1968-....) - National Institute of Chemistry (Slovenia)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stane Pejovnik, Jean-Marie Tarascon, Anton Meden
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Doron Aurbach, Gerbrand Ceder

Mots clés

Mots clés contrôlés

Batteries lithium-ion

Science des matériaux

Mots clés libres

Cathode

Li2MSiO4

Résumé

Les défis énergétiques de ce siècle sont principalement à l'origine de ce travail, dans lequel nous avons étudié une classe prometteuse de matériaux d'électrode positive pour batterie Lithium-ion, Li2MSiO4: M = Fe, Mn. Cette famille de composés présente des propriétés exceptionnelles en termes d'abondance des matières premières (Fe, Si, Mn), de sécurité et de la capacité théorique d'énergie. En outre, les silicates sont intrinsèquement plus stables que les oxydes commerciaux en raison des fortes liaisons Si-O qui se traduisent en une plus haute stabilité chimique et structurale durant des cyclages prolongés. Avec ce travail, une meilleure compréhension des structures à longue distance et locale de ces composés polymorphes (βII, γs, γII) (obtenus par des techniques céramiques, hydrothermales et des approches précipitations) a été effectués et l'impact des structures sur les propriétés électrochimiques ont été démontrée. Le mécanisme opérationnel sur les processus électrochimiques et le stockage à long terme des matériaux sous conditions ambiantes ont également été étudiés. En conclusion, ce travail démontre la nécessité d'une meilleure compréhension de la chimie des cristaux des nouveaux matériaux afin de faciliter leur mise en œuvre dans les applications technologiques. Les améliorations dans les procédures de synthèse ainsi que des caractérisations précises des matériaux sont cruciales

The search of alternative materials, as a modest part of green solutions to the world's energy crisis, is a crucial drive for this work. We have investigated a challenging, yet exciting, class of positive electrode materials for lithium-ion batteries; Li2MSiO4: M = Fe, Mn. The compound exhibits promising properties; in terms of the abundance of raw materials, high theoretical capacity, and its strong inherent bonds, particularly Si-O networks. In context of this work, high purity polymorphic compounds of Li2MSiO4 (βII, γs, γII) have been successfully synthesized by ceramic, precipitation and hydrothermal methods. The crystal chemistry of these materials has been verified. The structural impacts on electrochemical properties, as battery-electrodes, were demonstrated. The operational mechanism of the materials upon battery cycling and their stabilities on long-term storage under ambient conditions has been investigated. In conclusion, this work has pinpointed the necessity of in-depth fundamental studies in the development of new materials for technological applications. Improvements of synthesis procedures and better understanding of materials' characteristics are essential