Lithium métal comme électrode négative : Aspects métallurgiques et électrochimiques

Lithium metal negative electrode : Metallurgical and electrochemical aspects

• Auteur / Autrice : Lucile Magnier
• Direction : Renaud Bouchet, Éric Maire
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux
• Date : Soutenance le 28/04/2021
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut national des sciences appliquées (Lyon ; 1957-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : MATEIS - Matériaux : Ingénierie et Science (Rhône)
• Jury : Président / Présidente : Marie-Liesse Doublet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Renaud Bouchet, Éric Maire, Marie-Liesse Doublet, Arnaud Demortiere, Michel Rosso, Didier Devaux
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Arnaud Demortiere, Michel Rosso

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électrodes

Véhicules électriques

Batteries lithium-ion

Batteries

Mots clés libres

Matériaux

Lithium métal

Défaillance

Mécanisme de dégradation

Optimisation

Microstructure du matériau

Performances électriques

Sollicitation mécanique

Tomographie par rayon X

Métallurgie

Electrode négative

Materials

Lithium metal

Batteries

Failure mechanisms

Optimization

Material microstructure

Electrical performance

Mechanical straining

X-Ray tomography

Metallurgy

Negative electrode

Résumé

Pour les batteries de véhicules électriques, l'utilisation du lithium (Li) métal comme électrode négative est très prometteuse car le Li possède la plus grande capacité théorique et un faible potentiel électrochimique. Malheureusement, les hétérogénéités d’oxydation et de réduction entraînent la croissance de dendrites à la surface de l'électrode de Li, ce qui induit des courts-circuits. L'utilisation d'un électrolyte polymère solide est l'une des solutions possibles pour atténuer la croissance de dendrites. Cependant, les batteries ont toujours une durée de vie limitée dont la défaillance est liée à l'électrode négative en métal Li. Le défi de cette thèse était de comprendre les mécanismes en jeu dans l'électrode Li métal causant la fin de vie des batteries. Une attention particulière a été portée sur la corrélation entre la métallurgie du Li et son impact sur la défaillance des batteries. Grâce à la tomographie aux rayons X, les échantillons ont été analysés de manière non intrusive en évitant tout contact avec l'air et l'humidité. Une première étude a été faite sur la caractérisation de la microstructure du Li métal (précipités, taille des grains et inclusions). Grâce aux enseignements de cette étude, l'évolution de la morphologie du Li métal au cours du cyclage a pu être suivie dans deux types d'assemblages (cellules symétriques et batteries) et corrélée avec la microstructure du Li. Les cellules symétriques permettent, grâce à une polarisation de quelques jours ou semaines, de caractériser l'impact de l'oxydation et de la réduction du Li sur la morphologie des électrodes Li. L'étude des batteries, nécessitant plusieurs mois de cyclage, permet d'observer la dégradation de l'électrode de Li métal lors du cyclage et d'approfondir les mécanismes de défaillance des batteries.

For electric vehicle applications, the use of lithium (Li) metal as negative electrode is very promising because Li has the highest theoretical capacity and a low electrochemical potential. Unfortunately, stripping and plating heterogeneities lead to dendrite growth on Li electrode surface which induces short-circuits. The use of a solid polymer electrolyte is one of the possible solutions to mitigate dendrite growth. However, batteries still have a limited cycle life whose failure is related to Li metal negative electrode. The challenge of this PhD was to understand the mechanisms at stake in the Li metal electrode causing battery end-of-life. Particular attention was paid to correlate Li metallurgy and its impact on battery failure. Using X-ray computed tomography, the samples were analyzed in a non-intrusive manner while avoiding contact with air and moisture. A first study focused on the characterization of Li metal microstructure (precipitates, Li grain size and inclusions). Thanks to the insights provided by this study, the evolution of Li metal morphology during cycling could be followed in two types of assemblies (Li symmetric cells and batteries) and correlated with Li microstructure. The Li symmetric cells allow, thanks to a polarization of a few days or weeks, to characterize the impact of Li oxidation and reduction on Li electrode morphology. The study of batteries, requiring several months of cycling, allows to observe the degradation of the Li metal electrode upon cycling and to deepen the mechanisms of battery failure.