Nanotubes de carbone décorés par CVD en lit fluidisé : application en batterie lithium-ion

Carbon nanotubes decorated by fluidized bed CVD : Application in lithium-ion battery

• Auteur / Autrice : Nicolas Coppey
• Direction : Brigitte Caussat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés et de l’environnement
• Date : Soutenance le 09/07/2013
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Génie Chimique / LGC
• Jury : Président / Présidente : Marc Monthioux
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Serp, Julien Beausoleil
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Khashayar Saleh, Gilles Flamant

Mots clés

Mots clés libres

Cvd

Fluidisation

Nanotubes de carbone

Silicium

Silane

Lithium-ion

Cvd

Fluidization

Carbon nanotubes

Silicon

Silane

Lithium-ion

Résumé

La technologie lithium-ion est largement utilisée pour le stockage de l’énergie électrique. Le graphite, fréquemment utilisé comme matériau d’anode, peut être avantageusement remplacé par des nanomatériaux hybrides, alliant la forte densité d’énergie du silicium aux nanotubes de carbone qui possèdent des propriétés électriques et mécaniques remarquables. Le procédé de Dépôt Chimique à partir d’une phase Vapeur (CVD) en lit fluidisé est particulièrement performant pour revêtir de façon uniforme des poudres, y compris des micro- et nano-poudres, par des matériaux divers. Des expériences de dépôt de silicium par CVD en lit fluidisé à partir de silane SiH4 ont été menées sur des nanotubes de carbone multiparois enchevêtrés en pelotes de 450 µm de diamètre médian (ARKEMA Graphistrength C100), couvrant la gamme de 10 à 70 % en masse de silicium déposé. Le silicium est déposé uniformément du bord jusqu’au cœur des pelotes, sous forme de nanoparticules réparties régulièrement sur les nanotubes, et dont la taille augmente avec la durée du dépôt. L’étude du comportement hydrodynamique du lit fluidisé révèle que les nanotubes de carbone fluidisent de façon homogène et avec une forte expansion, pour des vitesse de gaz modérées. Ainsi, les transferts de matière entre la phase solide et la phase gaz durant la fluidisation sont très élevés. Enfin, la capacité de cyclage charge-décharge des électrodes nanotubes de carbone - nanoparticules de silicium a été vérifiée en demi-pile au lithium.

Lithium-ion technology is widely used for electrical energy storage. Graphite, frequently used as anode material, could be usefully replaced by hybrid nanomaterials adding the great energy density of silicon to carbon nanotubes, who have remarkable electrical and mechanical properties. The Chemical Vapor Deposition (CVD) in fluidized bed process is specially performant in uniformly coating powders, including micro and nano powders, with various materials. Fluidized bed CVD of silicon experiments, from silane SiH4, have been conducted on multiwalled carbon nanotubes, entangled in pellets, 450 µm in median diameter (ARKEMA Graphistrength C100), covering a range from 10 to 70 % in total mass of deposited silicon. Silicon is uniformly deposited from shell to core of the pellets, forming nanoparticules regularly deposited on nanotubes and size-dependant to the CVD run duration. The study of hydrodynamic behavior of fluidized bed shows that carbon nanotubes fluidize homogeneously and with a wide expansion, for moderated gas velocity. Thus, mass transport between solid and gas phase during the fluidization are very high. Finally, the charge-discharge cycling capacity of carbon nanotubes - silicon nanoparticles electrodes has been checked in lithium half-cell.