Développement de carbones durs éco-conçus pour les batteries Na-ion

Development of eco-friendly hard carbons for Na-ion batteries

• Auteur / Autrice : Adrian Beda
• Direction : Camelia Matei Ghimbeu, Patrice Simon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 13/12/2019
• Etablissement(s) : Mulhouse
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie-physique (Strasbourg ; 1994-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Science des Matériaux de Mulhouse - Institut de Science des Matériaux de Mulhouse - IS2M - UMR7361

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sodium

Piles électriques

Énergie -- Stockage

Électrodes

Batteries

Mots clés libres

Précurseurs écologiques

Carbone dur

Piles à ions sodium

Propriétés physico-chimiques

Capacité de réversion

Mécanismes de stockage

Rendement coulombien

Cellules entières

Eco-friendly precursors

Hard carbon

Sodium ion batteries

Physico-chemical properties

Reversible capacity

Storage mechanisms

Coulombic efficiency

Full-cells

Résumé

Des anodes en carbone dur, respectueuses de l'environnement, pour les batteries Na-ion, alternatives prometteuses des batteries actuelles du type Li-ion, ont été développées au cours de cette thèse. Des connaissances approfondies sur les propriétés physico-chimiques et électrochimiques des matériaux ainsi que sur leurs mécanismes de stockage des ions Na sont proposées. Trois catégories de précurseurs : la biomasse, les biopolymères et les polymères synthétiques sont sélectionnées pour synthétiser des carbones durs à propriétés bien maitrisées. Le développement des premières résines phénoliques respectueuses de l'environnement, alternative aux résines toxiques, a été mis au point. Ces nouvelles résines ont conduit à des carbones capables de délivrer une capacité de ~ 300 mAh/g. Un autre volet d’un grand intérêt a consisté en la mise au point d'électrodes carbonées sans liant et sans solvant qui ont servi de matériaux modèles pour la compréhension des mécanismes de stockage des ions Na. Cela a permis de démontrer expérimentalement la formation d'espèces d’intercalation sodiées par des techniques in-situ lors du fonctionnement de la batterie. L’impact des impuretés des biomasses sur les propriétés et les performances des carbones a également été étudié en détail. Dans la dernière partie de cette thèse, une transition des tests de l'échelle du laboratoire à grande échelle a été réalisée. Des électrodes compactes de sphères de carbones ont été développées, permettant l’obtention de performances exceptionnelles en batteries complètes. L'origine de ces performances est mise en évidence via de nombreuses corrélations propriétés – performances.

This thesis deals with the development of eco-friendly hard carbon anodes for Na-ion batteries, promising alternatives to the state-of-the-art, Li-ion batteries. In-depth knowledge on the physico-chemical and electrochemical properties of the materials, as well as on the storage mechanisms of Na ions in carbon hosts were emphasized. Three categories of precursors: biomass, biopolymers and synthetic polymers were selected to synthesize hard carbon materials with well-controlled properties. The development of the first eco-friendly phenolic resins, an alternative to the toxic resins, was successfully accomplished. The new resins have led to hard carbons capable of delivering a high capacity of ~ 300 mAh/g. Another aspect of great interest consisted in the development of binder/solvent-free carbon electrodes which served as model materials to understand the storage mechanisms of Na ions. By performing in-situ characterization analyses, it was possible to demonstrate, experimentally, the formation of intercalated sodium species, during battery cycling. The impact of biomass impurities on hard carbons properties and electrochemical performance was studied in detail, as well. In the last part of the thesis, the transition from lab-scale tests to large scale tests was accomplished. Compact electrodes made of carbon spheres were developed, allowing exceptional performance in full-cells. The reasons behind the improvement of the delivered capacity are highlighted via numerous correlations properties - performance.