Etude de l'effet des sels de lithium de la couche de passivation sur la cyclabilité d'un accumulateur lithium-ion

Effects of lithium sals from the solid electrolyte interphase on cycling ability of lithium-ion batteries

• Auteur / Autrice : Fabien Chrétien
• Direction : Meriem Anouti-Benaichouche, Christine Damas
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 28/01/2015
• Etablissement(s) : Tours
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Physico-Chimie des Matériaux et des Électrolytes pour l’Énergie (Tours)
• Jury : Président / Présidente : Daniel Lemordant
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alexandre Chagnes, Encarnación Raymundo-Pinero
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alexandre Chagnes, Rémi Dedryvère

Mots clés

Mots clés contrôlés

Additifs

Électrolytes

Sels, Effets de (chimie)

Sels de lithium

Surfactants

Solvants

Détérioration

Batteries lithium-ion

Composés cycliques

Passivité (chimie)

Mots clés libres

Batterie lithium-ion

Couche de passivation (SEI)

Interfaces sels de lithium

Additifs

Glymes

Tensioactifs

Lithium-ion battery

Solid electrolyte interphase (SEI)

Interfaces

Lithium salts

Additives

Glymes

Surfactants

Résumé

Limiter le vieillissement des accumulateurs lithium-ion est un challenge pour optimiser leur utilisation notamment dans le domaine spatial. La qualité de la couche de passivation (SEI), formée à la surface de l’électrode négative de graphite lors des premiers cycles de vie de la batterie, est déterminante pour ses performances futures. Celle-ci est composée de polymères et de divers sels de lithium dont la dissolution, la précipitation et la migration affectent les performances. Cette étude vise à comprendre l’impact de ces composés sur la cyclabilité et de proposer des solutions à l’effet néfaste de ces sels sur le bon fonctionnement et le vieillissement de l’accumulateur Li-ion. La première partie de ce travail aborde l’impact de divers sels de lithium de la SEI (LiF, Li2CO3, LiOH, LiOCH3, LiOC2H5) sur le comportement en cyclage des accumulateurs. Par la suite, nous avons proposé des solutions pour améliorer le comportement qu’engendre la présence de ces sels sur les performances à travers deux approches. La première concerne l’utilisation de co-solvants complexants de la famille des glymes. La seconde approche consiste à modifier les propriétés interfaciales électrodes/électrolyte par l’ajout d’additifs tensioactifs à l’électrolyte. Les résultats montrent dans les deux cas des améliorations notables de la cyclabilité des dispositifs en demi-pile et en cellule complète.

Limiting the lithium-ion batteries ageing is a challenge to overcome in the field of spatial applications. The quality of the solid electrolyte interfaces (SEI), created at the electrode surface during the first cycles of the battery, is decisive for its future performances. The SEI is composed of polymers and several lithium salts which are able to dissolve, precipitate and migrate in the electrolyte and hence modify the battery performances. This study aims to understand the impact of the dissolution of these compounds on the cell cycling ability and to propose solutions to avoid the harmful effects of these salts on the battery ageing. The first part of this study is devoted to the study of the effect of dissolved SEI lithium salts (LiF, LiOH, Li2O, Li2CO3 , LiOCH3, LiOC2H5) on the cycling ability of half and full cells.In order to improve the battery performances in spite of the presence of these SEI salts in the electrolyte, two solutions have been examined. The first one is to add a co-solvent belonging to the glyme family which is able to form complexes with lithium ions and the second to use a surfactant additive which will modify the interfacial electrode/electrolyte properties. Results show that in both cases an improvement in half-cell or full-cell cycling ability was achieved.