Composés modèles Li3MO4 pour comprendre l’impact du réseau anionique sur la capacité et le potentiel des électrodes de batteries Li-ion

Li-rich Li3MO4 model compounds for deciphering capacity and voltage aspects in anionic redox materials

• Auteur / Autrice : Quentin Jacquet
• Direction : Jean-Marie Tarascon, Gwenaëlle Rousse
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 12/12/2018
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Chimie du solide et de l'énergie (Paris ; 2014-....)
• Jury : Président / Présidente : Antoine Maignan
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Téofilo Rojo, Olivier Mentré, Xavier Carrier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Pierre Pereira-Ramos, Pierre Bordet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Batteries lithium-ion

Hystérésis

Matériaux

Électrodes

Cathodes

Stockage

Électricité

Mots clés libres

Batterie Li-Ion

Batterie Na-Ion

Oxyde de métaux de transition

Redox anionique

Cathode

Stockage de l'énergie

Li-ion batterie

Na-Ion batterie

Transition metal oxide

Anionic redox

Cathode

Electrical storage

Résumé

Le réchauffement climatique, provoqué par l’augmentation de la concentration de CO2 dans l’atmosphère, est un problème majeur du 21ème siècle. C’est pourquoi, il est d’une importance capitale de valoriser l’utilisation des énergies renouvelables et des technologies de stockage d’énergie telles que les batteries Li-ion. Suivant ce but, les chercheurs ont mis au point un nouveau matériau d’électrode, le Li-rich NMC, dont l’utilisation permet d’augmenter significativement la capacité des batteries Li-ion grâce à la participation des oxygènes de l’oxyde dans la réaction électrochimique. Cependant, ce nouveau phénomène va de pair avec une hystérésis de potentiel qui empêche la commercialisation du Li-rich NMC. Afin de proposer une solution à l’hystérésis de potentiel tout en continuant à augmenter la capacité des électrodes, des études fondamentales sont nécessaires, notamment: la redox anionique a-t-elle une limite de capacité ? et, quelle est l’origine de l’hystérésis ? Pour répondre à la première question, nous avons conçu des matériaux, de composition chimique A3MO4 (A étant du Li ou Na, et M un mix de Ru, Sb, Nb, Ta ou Ir), ayant une redox anionique exacerbée. Après avoir caractérisé la structure de ces nouveaux matériaux, nous avons étudié leur mécanisme électrochimique et montré que la redox anionique est limitée par la décomposition de l’électrode via formation de O2 ou dissolution. Dans un second temps, par l’étude de deux nouveaux matériaux, Li1.3Ni0.27Ta0.43O2 et Li1.3Mn0.4Ta0.3O2 ayant des hystérésis de potentiel très différentes, nous avons montré le lien entre la redox anionique, la taille de la bande interdite, et l’hystérésis de potentiel.

Global warming, due to the increasing CO2 concentration in the atmosphere, is a major issue of the 21th century, hence the need to move towards the use of renewable energies and the development of electrical storage devices, such as Li-ion batteries. Along that line, a new electrode material called Li-rich NMCs have been developed, having higher capacity, 290 mAh/g, than commercial materials, like LiCoO2 (150 mAh/g), thanks to participation of oxygen anions into the redox reaction. This process, called anionic redox, unfortunately comes with voltage hysteresis preventing the commercialization of Li-rich NMC. To alleviate this issue while increasing the capacity, fundamental understanding on anionic redox is needed, specifically concerning two points: is anionic redox limited in terms of capacity? And what is the origin of the voltage hysteresis? In a first part, with the aim to assess the limit of anionic redox capacity, we designed new compounds, having enhanced oxygen oxidation behavior, belonging to the A3MO4 family (A being Li or Na and with M a mix of Ru, Ir, Nb, Sb or Ta). We performed their synthesis, deeply characterized their structure, and, by studying their charge compensation mechanism, we showed that anionic redox is always limited by either O2 release or metal dissolution. In a second part, we designed two new materials, Li1.3Ni0.27Ta0.43O2 and Li1.3Mn0.4Ta0.3O2, having different voltage hysteresis, in order to identify the origin of this phenomenon. Coupling spectroscopic techniques with theoretical calculations, we suggest that the electronic structure, namely the size of the charge transfer band gap, plays a decisive role in voltage hysteresis.