Synthèse par électrodépôt en milieu liquide ionique de nanostructures de Si/TiO2, Al/TiO2 et Si-Al/TiO2 nanotubes pour électrode négative de batterie Li-ion.

Electrochemical synthesis of nanostructured Si/TiO2, Al/TiO2 and Si-Al/TiO2 nanotubes composite from ionic liquid electrolyte as negative electrode for Li-ion batteries.

• Auteur / Autrice : Abirdu woreka Nemaga
• Direction : Michaël Molinari, Claude Guéry
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 29/01/2019
• Etablissement(s) : Reims
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Biologie, Chimie, Santé (Reims ; 2018-)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de recherche en nanosciences (LRN) - EA 4682 (Reims, Marne)
• Jury : Président / Présidente : Thierry Djenizian
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jérémy Mallet, Mathieu Morcrette, Stéphane Biscaglia
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Marisol Martin-Gonzalez

Mots clés

Mots clés contrôlés

Teneur en silicium

Électrodes

Silicium

Mots clés libres

Al négative électrode

TiO2 nanotubes

Si négative électrode

Li-Ion batteries

Si negative electrodes

Al negative electrodes

Résumé

Parmi les différents systèmes de stockage d’énergie électrique étudiés depuis plus de 2 siècles, le stockage électrochimique de type batterie Li-Ion est vraisemblablement le plus pertinent et le plus efficace. Des verrous demeurent cependant pour avoir des batteries Li-Ion répondants aux besoins actuels, et une des limitations provient des matériaux d’électrodes. Le silicium est un candidat de choix pour répondre aux problématiques batteries posées, cependant sa tenue au cyclage est courte et les méthodes de synthèse sont souvent très contraignantes. Associant deux laboratoires de recherche acteurs majeurs dans le domaines des nanosciences (le LRN à l’URCA) et des matériaux et batteries (le LRCS à l’UPJV) le projet pluridisciplinaire NanoSiBL d’une durée de 36 mois se fixe pour objectif d’apporter des solutions aux deux points précédents par : 1, la réalisation d’électrodes négatives en Silicium par une voie de synthèse bas coût originale et innovante développée au LRN (l’électrodépôt en milieu liquide ionique), 2 un accroissement de la durée de vie de l’électrode grâce à deux types de structuration (soit une électrode constituée de nanofils/nanotubes de Si monolithique soit une électrode nanostructurée composite de Si/TiO2). L’expertise dans le domaine des batteries du LRCS devrait permettre sur ce deuxième point de déterminer la géométrie et configuration idéale de l’électrode en termes de performance. Basé des méthodes d’élaboration par électrochimie bas coût et originale, NanoSiBL a pour objectif, grâce au partage de compétences et de technologie entre physiciens et chimistes impliqués, d’initier une nouvelle thématique inter-établissement axée sur la valorisation de nanostructures de silicium et silicium composite nanostructuré. L’intérêt scientifique de ce projet réside dans la mise en œuvre et le contrôle des propriétés intrinsèques de ces nanostructures à base de silicium pour la réalisation d’électrodes négatives performantes de batterie Li-Ion. Dans la littérature, les électrodes négatives à base silicium ou silicium composite (type Si/TiO2) ont déjà démontré une amélioration par rapport aux électrodes de silicium massif. Néanmoins, le passage à des dispositifs opérationnels reste peu fréquent car les voies permettant de contenir l’expansion en volume du silicium restent à éprouver et car les méthodes utilisées pour élaborer ces nanofils de silicium (Chemical Vapor Deposition, évaporation réactive…) restent très contraignantes, tant au niveau des conditions de croissance (nécessité d’utiliser des précurseurs métalliques et des gaz très toxiques) que des coûts de fabrication (travail sous ultra-vide, nombreuses étapes pour la réalisation des dispositifs avec la nécessité de réaliser des contacts post-croissance…). NanoSiBL propose donc une alternative en réelle rupture technologique avec les méthodes de synthèse actuelles. Les techniques de croissance (électrodépôt en liquide ionique) et de nanostructuration (au sein de membranes polycarbonates ou nanotubes de TiO2) utilisées dans le projet permettront la mise au point d’électrodes à bas coût performantes pour l’application batterie Li-Ion visée. En outre la variété conséquente de géométries possibles proposées par les membranes nanoporeuses qui seront utilisées dans le projet (polycarbonate ou nanotubes de TiO2) permettra d’établir un comparatif essentiel de l’impact de la nanostructuration ou encore de la composition des électrodes pour contenir l’expansion en volume du silicium lors du cyclage et ainsi améliorer la durée de vie de telles électrodes (batterie).

Among the various electric energy storage systems studied for more than two centuries, the electrochemical storage battery type Li-Ion is probably the most relevant and most effective. however locks remain for Li-Ion batteries respondents to current needs, and limitations comes from the electrode materials. Silicon is a prime candidate to meet the challenges posed batteries, however its resistance to cycling is short and synthesis methods are often very restrictive. Combining two research laboratories major players in the fields of nanoscience (the LRN to URCA) and materials and batteries (the LRCS to UPJV) the multidisciplinary project NanoSiBL a period of 36 months set the objective of provide solutions to the above two points: 1, the realization of negative electrodes in silicon by a synthetic route down original and innovative cost developed LRN (electrodeposition in ionic liquid medium), 2 increased lifetime of the electrode through two types of structuring (or one electrode made of nanowires / nanotubes Si monolithic or a composite nanostructured electrode Si / TiO2). The expertise in the field of LRCS of batteries should allow this second point to determine the geometry and ideal configuration of the electrode in terms of performance. Based methods developed by electrochemistry low cost and original NanoSiBL aims, through the sharing of expertise and technology between physicists and chemists involved, to initiate an inter-establishment new theme focused on valuation and silicon nanostructures composite nanostructured silicon. The scientific interest of this project lies in the implementation and control of the intrinsic properties of these nanostructures based on silicon for making efficient negative electrodes of Li-Ion battery. In the literature, the negative electrodes based on silicon or silicon composite (type Si / TiO2) have already demonstrated improvement compared to bulk silicon electrodes. However, the transition to operational devices remains uncommon for ways to contain the expansion in volume of the silicon are experiencing and because the methods used to develop these silicon nanowires (chemical vapor deposition, reactive evaporation ...) remain very restrictive both in terms of growth conditions (the need to use metal precursors and highly toxic gases) that manufacturing costs (labor UHV, many steps for the realization of devices with the need for contacts post- growth…). NanoSiBL proposes an alternative in real technological break with the current methods of synthesis. growth techniques (electrodeposition in ionic liquid) and nanostructuring (in polycarbonates or TiO2 nanotube membranes) used in the project will enable the development of electrodes at low cost efficient for application referred Li-Ion battery. Furthermore the consequent variety of possible geometries offered by the nanoporous membranes to be used in the project (polycarbonate or TiO2 nanotubes) will establish a critical comparison of the impact of the nanostructure or composition of electrodes to contain expansion by volume of the silicon during the cycling and improve the life of such electrodes (battery).