Synthèse, structures et propriétés des composés LiMSO4F (M = métal 3d) en tant que matériaux d'électrode positive pour batteries à ions Li

Synthesis, structures and properties of LiMSO4F (M = 3d metal) phases as positive electrode materials for Li-ion batteries

• Auteur / Autrice : Mohamed Ati
• Direction : Jean-Marie Tarascon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Amiens
• 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-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Claude Jumas
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Marie Tarascon, Valérie Pralong, Patrick Rozier, Robert Dominko, Dominique Larcher, Mathieu Morcrette
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Valérie Pralong, Patrick Rozier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électrochimie

Synthèse inorganique

Énergie -- Stockage

Science des matériaux

Mots clés libres

Chimie des solides

Caractérisation physicochimique

Résumé

Cette thèse porte sur l'élaboration de nouveaux composés fluorosulfates de formule générale LiMSO4F (M = métal 3d) en tant que matériaux d'électrodes positives pour les batteries au lithium via des procédures éco-efficaces. Parmi d'autres, LiFeSO4F a paru comme un candidat sérieux en tant que matériau d'électrode positive pour les batteries à ions Li. Ainsi, nous nous sommes d'abord intéressés à l'optimisation de sa synthèse en employant trois méthodes de synthèses différentes, à savoir la méthode ionothermale, la méthode solvothermale en employant des polymères et des polyols, et la méthode tout-solide (T ≤ 300°C). Les études structurales et électrochimiques de ce matériau ont révélé qu'il possède des propriétés électrochimiques et structurales attractives pour l'application batteries à ions Li. Par la suite, l'extension de nos recherches aux autres membres de cette famille à base des autres métaux 3d tels que le Co, Ni, Mn, et Zn nous a permis de découvrir la richesse de cette famille. En effet, nous avons observé que le composé LiMnSO4F cristallise dans la structure triplite et LiZnSO4F cristallise dans la structure sillimanite, complètement différentes de la structure tavorite de LiFeSO4F. Cette découverte nous a incité à étudier les propriétés structurales et électrochimiques des solutions solides LiMyFe1-ySO4F (M = Mn, Zn) afin d'avoir une meilleure compréhension de leurs propriétés. À la surprise générale, les phases solutions solides de structure triplite ont présenté un potentiel redox de l'ordre de 3,9 V vs. Li quel que soit l'élément de substitution et sa concentration ; il s'agit, en fait, du potentiel redox le plus élevé jamais rapporté pour le couple Fe3+/Fe2+ dans un composé inorganique. Par ailleurs, en jouant sur les conditions de la synthèse, nous avons réussi à préparer le composé LiFeSO4F dans la structure triplite. Ce dernier possède, lui aussi, un potentiel redox de 3,9 V vs. Li avec une bonne réversibilité associée à l'extraction/insertion du lithium et une bonne stabilité structurale au long de cyclage. Pour terminer, nous avons pu également synthétiser un nouveau composé fluorosulfate non lithié (FeSO4F1-yOHy) en utilisant la méthode de synthèse tout-solide. Ce matériau présente des propriétés structurales et électrochimiques intéressantes en tant que matériau d'électrode positive pour les batteries métal polymère. Son potentiel redox moyen est compris entre 3,2 et 3,58 V vs. Li, en fonction de la teneur en OH. Ce matériau a montré une bonne faculté d'extraire/insérer du lithium d'une manière réversible au cours de cyclage

This thesis has focused on the synthesis and characterization of new fluorosulfates compounds, namely LiMSO4F (M = 3d metals) as a new electrode materials for LIBs through different sustainable synthetic approaches. Among them, LiFeSO4F appears as a serious candidate for positive electrodes. Therefore, we tried, first, to obtain it using different synthesis methods (ionothermal, solvothermale, and solid-state process). Our structural and electrochemical investigations show its nice stability over cycling with attractive performances (3. 6 V vs. Li; Qth = 151 mAh/g). Afterward, our investigations of the other members of this family using other 3d metals (Co, Ni, Mn and Zn) revealed that both LiMnSO4F and LiZnSO4F crystallize in two differents structures namely triplite and sillimanite, respectively. Hence our motivation to study the solid solutions of LiMyFe1-ySO4F based on Mn and Zn. Surprisingly, the LiMyFe1-ySO4F (M = Mn, Zn) triplite type structure show a higher redox potential compare to the two others polymorphs (tavorite and sillimanite) in the range of 3. 9 V vs. Li. To our knowledge, this is the highest redox potential reported for Fe3+/Fe2+, so far. Moreover, these solid solutions powders show a nice stability over cycling with nominal capacities close to the theoretical ones. Thereafter, we prepared LiFeSO4F in the triplite type structure without adding Mn or Zn. The latter shows good electrochemical performances with nice structural stability during cycling. At last, we investigated a non lithied hydoryfluorosulfate compound (FeSO4F1-yOHy) as a new positive electrode material for lithium metal polymer batteries. This material was prepared using a solid-state process at 290°C and the electrochemical measurements show that it has nice performances with a redox potential located between 3. 2 and 3. 58 V vs. Li, as function of the amount of OH in the structure