Conception de nanomatériaux de TiO2 pour le stockage d'énergie : batteries à ion lithium

Design of TiO2 nanomaterials for energy storage : lithium-ion batteries

• Auteur / Autrice : Wenpo Luo
• Direction : Abdelhafed Taleb
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie Analytique
• Date : Soutenance le 30/06/2021
• 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. Chimie Théorique et Modélisation
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École nationale supérieure de chimie (Paris)
• Jury : Président / Présidente : Jolanta Światowska
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ismael Saadoune, Arnaud Demortière
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ismael Saadoune, Mustapha Jouiad

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux poreux

Lithium

Nanoparticules

Mots clés libres

Nanomatériaux de TiO2

Matériaux d’anode

Morphologies

Porosité

Batteries à lithium-Ion

TiO2 nanomaterials

Anode materials

Morphologies

Porosity

Lithium-Ion batteries

Résumé

Les nanomatériaux de dioxyde de titane (TiO2) sont de potentiels matériaux d’électrode, pour l’application batterie à ion lithium, et pourrons remplacer le graphite, qui est l’actuel matériau d’anode. Ces nanomatériaux ont l’avantage d’avoir une faible variation de volume, lors de l’insertion/désertion des ions lithium, et une capacité volumétrique élevée.Dans ces travaux de thèse, nous avons synthétisé des nanomatériaux de différentes morphologies en utilisant des nanoagrégats de TiO2 comme précurseur, une solution alcaline et la méthode de synthèse hydrothermale. En faisant varier la température et le temps de réaction, nous avons montré qu’il est possible de préparer différentes morphologies de TiO2, tels que les nanofeuillets, les nanotubes, les nanoursins et les nanorubans. En utilisant les agrégats de TiO2, comme précurseurs et en faisant varier les conditions de synthèse, nous avons pu comprendre certains mécanismes de formation des différentes morphologies, par des processus d’exfoliation/coalescence et enroulement. Nous avons utilisé les poudres préparées, comme matériaux d’anode pour les batteries à ion lithium, et nous nous sommes intéressés à l’influence de la morphologie des poudres sur la capacité et la cyclabilité des batteries à ion lithium. Nos résultats ont mis en évidence la transformation de la morphologie des poudres, lors des premiers cycles de décharge/charge en agrégats de TiO2, par un processus de désintégration. Après, les premiers cycles, nous avons montré que c’est plutôt la surface spécifique et la porosité des nanoagrégats de TiO2, qui dominent les performances des batteries à ion lithium.Par ailleurs, nous avons préparé des nanobâtonnets de TiO2, avec différents taux de couverture de nanoagrégats de TiO2, en faisant varier principalement la température, et en utilisant la méthode de synthèse hydrothermale. En utilisant ces poudres comme matériaux d’anode pour les batteries à ion lithium, nous avons montré que les variations du taux de couverture des nanobâtonnets par les agrégats a une influence sur les performances des batteries, en terme de capacité et de cyclabilité. Ce résultat, nous l’avons expliqué par différentes connectivités des pores dans les poudres préparées.

TiO2 nanomaterials are promising candidate as anode materials for Lithium-ion batteries application, and could replace graphite, which is actually the most used material as negative electrode. TiO2 nanomaterials offer the advantage of low volume variation during the discharging/charging cycling processes and high volumetric capacity.In the framework of this thesis work, different TiO2 nanomaterial morphologies were prepared, using TiO2 aggregates as precursors, alkaline solution of NaOH and hydrothermal synthesis method. By changing the synthesis temperature and time, we demonstrate that it is possible to prepare different morphologies of TiO2 nanomaterials, such as nanosheet, nanotube, nanourchin, and nanoribbon. By using TiO2 aggregates as precursors and varying the synthesis time, we succeed to understand some aspects of the morphology’s formation mechanism, involving mainly exfoliation/ coalescence and enrolling processes. We used the prepared powders as anode materials for lithium-ion batteries, and we demonstrate that the morphologies have a strong influence only during the first discharging/charging cycles. Our results, show that different morphologies are transformed into aggregates through disintegration processes as a consequence of volume variation during cycling. After these first cycles, the performance of lithium batteries is strongly influenced by the aggregate properties in terms of the specific surface and the porosity of prepares powders.Futhermore, we prepared TiO2 nanorods decorated by TiO2 aggregates with different rate coverage, depending mainly on the synthesis temperature. By using these powder as anode materials for lithium-ion batteries, we demonstrated that varitaion of the rate coverage parameter has a strong influence on the lithium-ion batteries performance. We explained this in terms of the powder connectivity changing with the rate coverage of the nanorods by the aggregates.