Influence de l'électrolyte et/ou du liant sur la chimie de surface et les performances électrochimiques de l'électrode à base de Si et de l'électrode métallique Li pour batteries au lithium

Influence of electrolyte and/or binder on surface chemistry and electrochemical performances of Si-based and Li metal electrodes for lithium batteries

• Auteur / Autrice : Zhanyu Wu
• Direction : Jolanta Światowska
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physico-chimie
• Date : Soutenance le 02/03/2021
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Chimie physique et chimie analytique de Paris Centre (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de recherche de chimie Paris - Institut de recherche de chimie Paris
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École nationale supérieure de chimie (Paris)
• Jury : Président / Présidente : Nathalie Herlin-Boime
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Éric De Vito, Alexandre Chagnes, Philippe Marcus
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Éric De Vito, Alexandre Chagnes

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lithium

Mots clés libres

Anode à base de Si

Anode en métal Li

Processus d'électrode

Batteries à lithium

Li metal anode

Si-Based Anode

Electrode Processes

Lithium Batteries

Résumé

Les batteries au lithium-ion (LIB) sont aujourd'hui largement utilisées dans le monde entier en tant que dispositif de stockage d'énergie le plus populaire des équipements électroniques portables et des véhicules électriques. Cependant, les matériaux d'électrodes commerciaux actuels pour les LIB ne répondent plus aux demandes croissantes de densité d'énergie, de durée de vie de cycle et de capacité de débit. Par conséquent, il est impératif de développer des matériaux d'électrode de nouvelle génération pour répondre à l'exigence.Le Si a été considéré comme un candidat prometteur en raison de son faible coût, de son abondance naturelle et surtout de sa capacité théorique élevée (3580 mAh g-1). Cependant, le Si souffre d'un changement de volume important pendant les processus de charge / décharge, ce qui entraîne des pulvérisations de matière et une diminution de la capacité. De plus, l'énorme changement de volume rompt la couche d'interface d'électrolyte solide (SEI) à chaque cycle et entraîne la formation continue de SEI, qui consomme de manière irréversible une quantité considérable d'électrolyte.Le métal Li a été utilisé comme matériau d'anode pour les premières batteries Li rechargeables du commerce dans les années 1970. Cependant, la croissance des dendrites de Li pendant l'électrodéposition inhibe son application pendant de nombreuses années. La croissance des dendrites de Li cause non seulement le problème de court-circuit de la batterie, mais rend également Li piégé par la couche SEI qui l'entoure et entraîne un «Li mort» qui diminue l'efficacité coulombique. Ces dernières années, avec les développements des électrolytes, des séparateurs et autres composants de batterie, l'anode métallique Li a attiré de plus en plus d'intérêts de recherche.Comme présenté ci-dessus, la couche SEI joue un rôle clé pour la réversibilité de l'anode à base de Si et de l'anode métallique Li. Dans ce travail, l'objectif est d'explorer les processus de formation de la couche SEI lorsqu'ils sont influencés par différents facteurs. Ici, l'influence des électrolytes, des additifs et des liants sur la formation de la couche SEI est choisie pour être étudiée.Plusieurs techniques d'analyse de surface, telles que la spectroscopie photoélectronique aux rayons X (XPS), la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIRS) et la spectrométrie de masse d'ions secondaires à temps de vol (ToF-SIMS) ont été appliquées pour étudier la composition de la couche SEI..

Lithium ion batteries (LIBs) are nowadays widely applied all over the world as the most popular energy storage device of portable electronic equipment and electric vehicles. However, the current commercial electrode materials for LIBs no longer meet the increasing demands of energy density, cycle life, rate capability. Therefore, it is imperative to develop new generation electrode materials to meet the requirement.Si has been considered as a promising candidate due to its low cost, natural abundance and especially its high theoretical capacity (3580 mAh g-1). However, Si suffers from large volume change during the charge/discharge processes, which results in material pulverizations and capacity fading. In addition, the huge volume change breaks the solid electrolyte interface (SEI) layer every cycle and results in the SEI continuous formation, which irreversibly consumes a considerable amount of the electrolyte.Li metal has been employed as the anode material for the earliest commercial rechargeable Li batteries in 1970s. However, growth of Li dendrites during electrodeposition inhibits its application for many years. The growth of Li dendrites not only causes the short circuit problem of the battery, but also makes Li trapped by the SEI layer around it and results in “dead Li” which decreases the coulombic efficiency. In recent years, with the developments of electrolytes, separators, and other battery components, the Li metal anode has attracted more and more research interests.As introduced above, the SEI layer plays a key role for the reversibility of Si-based anode and Li metal anode. In this work, the aim is to explore the SEI layer formation processes when influenced by different factors. Here the influence of electrolytes, additives and binders to the formation of SEI layer are chosen to be investigated.Several surface analytical techniques, such as X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS), Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIRS) and Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry (ToF-SIMS) were applied to study the composition of SEI layer.