Étude des batteries K-ion : processus redox et phénomènes interfaciaux

K-ion batteries : redox processes and interfacial phenomena

• Auteur / Autrice : Laure Caracciolo
• Direction : Hervé Martinez, Lénaïc Madec
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie Physique
• Date : Soutenance le 16/12/2021
• Etablissement(s) : Pau
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences exactes et leurs applications (Pau, Pyrénées Atlantiques ; 1995-)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : INSTITUT DES SCIENCES ANALYTIQUES ET DE PHYSICO-CHIMIE POUR L'ENVIRONNEMENT ET LES MATERIAUX (IPREM UMR 5254) - Institut des sciences analytiques et de physico-chimie pour l'environnement et les materiaux
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hervé Martinez, Lénaïc Madec, Jean-Pierre Pereira-Ramos, Bruno Domenichini, Laure Monconduit, Dany Carlier-Larregaray
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Pierre Pereira-Ramos, Bruno Domenichini

Mots clés

Mots clés contrôlés

Effets du potassium

Batteries

Mots clés libres

Batterie K-ion

SEI

XPS

K-ion battery

XPS

SEI

Résumé

L’augmentation de la production d’énergies renouvelables a motivé les recherches sur de nouvelles technologies déstockage stationnaire, basées sur des éléments abondants et peu coûteux. Après le succès de la technologie Na-ion, la technologie K-ion a suscité l’intérêt des chercheurs de la communauté scientifique. En effet, les propriétés physico-chimiques du potassium devraient permettre le développement de batteries à haute densité d’énergie et de puissance. Dans un premier temps, les travaux de cette thèse ont été dédiés à l’étude de la réactivité de deux électrolytes avec du potassium métal, matériau utilisé en tant qu’électrode de référence dans les demi-cellules utilisées en laboratoire.Une réactivité chimique supérieure à celle du lithium métal a été observée. Les mécanismes de dégradation de l’électrolyte en fonction du sel et du métal ont été déterminés grâce à l’analyse des gaz produits (GC/MS et GC/FTIR) et des solides (XPS) issus de la formation de la couche interfaciale (SEI) à la surface du potassium métal. Concernant l’étude de la SEI, une base de données de matériaux de référence potassiés a été créée car manquante dans la littérature. Dans un deuxième temps, des matériaux d’électrodes positives de formule générale KVPO4FxO1-x ont été étudiés. L’impact bénéfique d’un «coating » carboné sur le matériau actif a été révélé, et les processus redox mis en jeu lors du cyclage ont été étudiés par XPS. Les résultats indiquent des processus redox incomplets mais réversibles et précisent que les pertes de capacités observées ont lieu pour un potentiel supérieur à 4,5 V, dues à de la dégradation préférentielle de l’électrolyte. Finalement, les premières études en cellules complètes (configuration 3 électrodes) ont permis de montrer que la configuration spatiale des cellules utilisées et la quantité d’électrolyte sont des paramètres clés.

Renewable energy production growth has motivated research into new stationary storage technologies based on abundantand inexpensive elements. After the success of the Na-ion technology, the K-ion technology has caught the interest of thescientific community. Indeed, the physico-chemical properties of potassium should allow the development of high energy andhigh power batteries. First, this PhD thesis research work focused on the reactivity of two electrolytes with potassium metal,which is used as a reference electrode in half-cells. A chemical reactivity superior to the lithium metal one was observed. Theelectrolyte degradation mechanisms as function of the salt and metal were determined through analysis of produced gases(GC/MS and GC-FTIR) and solid electrolyte interphase (SEI) formation on the potassium metal surface. For the study of theSEI, X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) was used, and a database of potassium reference materials was created sincenone was available in the literature until then. In a second time, positive electrode materials of general formulasKVPO4FxO1-x were studied. The beneficial impact of a carbonaceous coating on the active material was revealed, and theredox processes involved during cycling were studied by XPS. The results indicate incomplete but reversible redox processes,and specify that the capacity loss occured for a potential higher than 4.5 V, due to the preferential degradation of theelectrolyte. Finally, the first studies in full cells (3-electrode configuration) showed that cell spatial configuration and electrolytevolume used were key parameters.