Fonctionnalisation de polysaccharides pour les batteries Lithium-ion à base de silicium

Functionalization of polysaccharides for lithium-ion batteries based on silicon

• Auteur / Autrice : Mariama Ndour
• Direction : Véronique Bonnet, Jean-Pierre Bonnet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie. Chimie organique - Sucrochimie
• Date : Soutenance le 20/10/2020
• Etablissement(s) : Amiens
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, technologie et santé (Amiens)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Glycochimie et des Agroressources d'Amiens
• Jury : Président / Présidente : Nathalie Jarroux
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Véronique Bonnet, Catherine Amiel, Rita Baddour-Hadjean, Bernard Lestriez, Corinne Pau-Roblot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Catherine Amiel, Rita Baddour-Hadjean

Mots clés

Mots clés contrôlés

Polymères

Chimie organique

Mots clés libres

Carbone

Pectine

Gomme de caroube

Cellulose

Rétention de capacité

Locust bean gum

Capacity retention

Résumé

Le liant polymère est un des constituants essentiels de l'électrode à base de silicium d'une batterie Li-ion. Il aide à la rétention de la capacité du silicium par la réduction de l'expansion volumique lors des cycles de charge/décharge. Différents paramètres liés au polymère interviennent dans l'obtention d'une électrode stable avec de bonnes performances électrochimiques. La formulation par broyage au SPEX permet une bonne diffusion du lithium mais elle dégrade le polymère par dépolymérisation. L'utilisation de la méthode de formulation SPEX (Si + Csp) puis agitation magnétique du mélange avec le liant polymère permet de profiter de l'avantage du SPEX pour le silicium tout en diminuant la dégradation du polymère. Différents polysaccharides sont obtenus par modification chimique de pectines, celluloses et polygalactomannanes et complètement caractérisés. Ces polysaccharides obtenus sont testés en tant que liant polymère dans une électrode négative au silicium. Différents effets structuraux et de formulation sont mis en évidence. La méthode de broyage (SPEX) semble influencer l'homogénéité de l'encre, dans le cas de la CMC. Cela peut être liée à la taille du polysaccharide, alors adéquate pour une bonne rétention de la capacité. Le degré de méthylation dans le cas de la pectine, a montré une importante contribution également (capacité de 2174 mAh/g après 50 cycles). Avec un degré de méthylation de 24% et une masse molaire de 50000 g/mol, les performances obtenues sont comparables à celles de l'acide polyacrylique 450000 g/mol. La cellulose oxydée à 34% permet d'avoir de meilleures capacités de rétention que la CMC250. Les fonctions hydroxyles interviennent également pour réduire l'expansion volumique comme le montre l'exemple de la gomme de caroube

The polymer binder is one of the essential constituents of the silicon-based electrode of a Li-ion battery. It helps in the retention of silicon capacity by reducing volume expansion during charge / discharge cycles. Various parameters related to the polymer are involved in obtaining a stable electrode with good electrochemical performance. The formulation by grinding with SPEX allows good diffusion of lithium but it degrades the polymer by depolymerization. Using the SPEX (Si + Csp) formulation method followed by magnetic stirring of the mixture with the polymer binder can take advantage of SPEX formulation for silicon while reducing polymer degradation. Different polysaccharides are obtained by chemical modification of pectins, celluloses and polygalactomannans and fully characterized. These polysaccharides obtained are tested as a polymer binder in a negative silicon electrode. Different structural and formulation effects are highlighted. The grinding method (SPEX) appears to influence the consistency of the slurry, in the case of CMC. This may be related to the size of the polysaccharide, then adequate for good capacity retention. The degree of methylation in the case of pectin also showed an important contribution (capacity of 2174 mAh / g after 50 cycles). With a degree of methylation of 24% and a molar mass of 50,000 g / mol, the obtained performance is comparable to that of polyacrylic acid 450,000 g / mol. Cellulose oxidized at 34% allows for better retention capacities than CMC250. The hydroxyl functions are also involved in reducing the volume expansion as shown in the example of locust bean gum