Les origines de l'hystérésis de potentiel dans les batteries Li-ion

par Rémi Khatib

Thèse de doctorat en Chimie et Physicochimie des matériaux

Sous la direction de Marie-Liesse Doublet et de Miran Gaberšček.

Soutenue le 05-04-2013

à Montpellier 2 en cotutelle avec l'Univerza v Ljubljani , dans le cadre de Sciences Chimiques (Montpellier ; École Doctorale ; ...-2014) , en partenariat avec Institut Charles Gerhardt (Montpellier) (laboratoire) .

Le président du jury était Jerzy Zając.

Le jury était composé de Marie-Liesse Doublet, Miran Gaberšček, Jerzy Zając, Régis Gautier, Dominique Larcher, Marija Bešter Rogač.

Les rapporteurs étaient Régis Gautier, Dominique Larcher.

mots clés

• Hystérésis
• Lithium
• Polarisation
• Interfaces
• Structure électronique
• Thermodynamique
• Hystérésis
• Batteries lithium-ion
• Matériaux hybrides

Résumé

Dans les années 2000, les matériaux de conversion sont apparus comme une alternative intéressante aux matériaux d'insertion actuellement utilisés dans les batteries Li-ion. Ils réagissent avec le lithium pour former une électrode constituée de nanoparticules métalliques encapsulées dans une matrice lithiée. Pour comprendre ces réactions, le phosphure de cobalt (CoP) a été étudié au moyen de techniques théoriques et expérimentales. La complexité de ces systèmes nanocomposites n'a pas permis de caractériser toutes les espèces présentes dans l'électrode. Cependant, les calculs DFT ont prédit la formation de composés intermédiaires dont les potentiels de formation sont cohérents avec l'expérience. De plus, ces travaux ont mis en évidence l'importance de la réactivité de surface quant à l'origine de l'hystérésis de potentiel qui nuit au rendement énergétique de ce type d'électrode. La méthodologie développée spécialement pour les réactions de conversion, mais transférable vers d'autres réaction électrochimique, a été validée par les mesures expérimentales.

mots clés

• Hysteresis
• Lithium
• Polarisation
• Interface
• Electronical structure
• Thermodynamic

Titre traduit

The origin of voltage hysteresis in Li-ion batteries

Résumé

In the 2000s, conversion materials appeared as an interesting alternative to the insertion materials currently used in Li-ion batteries. They react with lithium to form an electrode constituted of metallic nanoparticles embedded into a lithiated matrix. To understand those reactions, cobalt phosphide (CoP) has been studied by theoretical and experimental techniques. The complexity of those nanocomposite systems does not allow to characterize all the species present inside the electrode. However, DFT calculations predicted the formation of intermediate compounds whose the formation potentials are in agreement with the experiment. Moreover, these studies have highlighted the importance of surface reactivity about the voltage hysteresis which harms to the electrode efficiency.The methodology especially developed for conversion reactions, but transferable to others electrochemical reaction, was validated by experimental measures.