Electrodes négatives à base de silicium pour accumulateurs au lithium : mécanisme réactionnel à l’échelle nanométrique et optimisation des performances

Silicon based negative electrodes for Li-ion batteries : reaction mechanism at the nanoscale and performance optimization

• Auteur / Autrice : Magali Gauthier
• Direction : Dominique Guyomard, Philippe Moreau, Lionel Roue
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science des matériaux, Physico-chimie du solide
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matériaux, Matières, Molécules en Pays de la Loire (3MPL) (Le Mans2008-2021)
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université de Nantes. Faculté des sciences et des techniques
• Jury : Président / Présidente : Danielle Gonbeau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Dominique Guyomard, Philippe Moreau, Lionel Roue, Danielle Gonbeau, Loïc Dupont, Ashok K. Vijh, Bernard Lestriez
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Loïc Dupont

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microscopie électronique en transmission

Spectroscopie de perte d'énergie des électrons

Silicium

Batteries lithium-ion

Mots clés libres

Électrode négative

Broyage mécanique

Résumé

Doté d’une capacité spécifique théorique dix fois supérieure à celle du graphite, le silicium se pose comme un matériau actif prometteur pour les électrodes négatives d’accumulateurs Li-ion. Alors que la majorité des études se focalise sur le Si nanométrique, ce travail de thèse propose la réalisation d’électrodes à bas coût via la mécanosynthèse d’un Si nanostructuré de taille micrométrique. L'approche suivie dans ce travail est la compréhension des mécanismes réactionnels à l'échelle nanométrique des électrodes en vue d’optimiser leurs performances. La caractérisation et l’étude des mécanismes de défaillance d’électrodes composites ont été menées ex situ par microscopie électronique en transmission et spectroscopie de perte d’énergie des électrons. Ces analyses ont permis de visualiser les différentes interactions Si/matière inactive et les mécanismes de changement de phase. La détection de composés de dégradation de l’électrolyte au cours du cyclage a par ailleurs été corrélée aux mécanismes de fin de vie des électrodes. Le matériau phare de cette thèse a été obtenu par simple broyage mécanique de poudres millimétriques ou de wafers de Si. L’intérêt majeur est l’obtention d’électrodes à bas coût (e. G. à partir de déchets de l’industrie du Si). La nanostructuration du Si créée par broyage mécanique, couplée à des formulations d’électrode et d'électrolyte adaptées, a conduit à des performances remarquables (900 cycles à 1200 mAh g-1 de Si) et supérieures à celles d’électrodes de Si nanométrique.

With a theoretical specific capacity ten times higher than that of graphite, silicon establishes itself as a promising active material for negative electrodes of Li-ion batteries. While most research focuses on nanometric Si, the present study reports the achievement of cheap electrodes prepared through the synthesis of a micrometric nanostructured Si by mechanical milling. The approach chosen for this study was the understanding of reaction mechanisms at the nanoscale by the characterization of electrodes, in order to further optimize the performance. Characterization and study of failure mechanism of Si electrodes have been carried out by ex situ electron energy loss spectroscopy and transmission electron microscopy. These analyses have provided information about the different interactions between the active material and the composite additives and about phase changes. Besides, the formation of electrolyte degradation products upon cycling was correlated to the end of life mechanism of the electrode. The key material of this thesis was obtained by simple mechanical milling of commercial millimetric powders or Si wafers. The main interest is the production of low cost Si electrodes (e. G. From industrial Si wastes). The nanostructuration created in the Si powder by the milling process, coupled with appropriate electrode and electrolyte formulations, provides remarkable performance (900 cycles at a capacity of 1200 mAh g-1 of Si), higher than those of electrodes based on nanometric Si.