Des nouveaux matériaux d’électrode pour batteries Li-ion : vers la minimisation de la réactivité aux interfaces matériau actif - électrolyte

New electrode materials for Li-ion batteries : towards the minimization of reactivity at active material-electrolyte interfaces

• Auteur / Autrice : Adrien Soloy
• Direction : Laurence Croguennec, François Weill
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physico-Chimie de la Matière Condensée
• Date : Soutenance le 28/03/2022
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences chimiques (Talence, Gironde ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de chimie de la matière condensée de Bordeaux (Pessac)
• Jury : Président / Présidente : Cyril Aymonier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurence Croguennec, François Weill, Sophie Cassaignon, Vincent Seznec, Delphine Flahaut, Dominique Foix, Lucille Gal
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Sophie Cassaignon, Vincent Seznec

Mots clés

Mots clés contrôlés

Composés lamellaires

Batteries lithium-ion

Mots clés libres

Batterie

Oxyde lamellaire

NMC

Morphologie

Réactivité

Performance

Battery

Layered oxide

NMC

Morphology

Reactivity

Performance

Résumé

L’oxyde lamellaire LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2 est un matériau d’électrode positive très attractif pour les batteries Li-ion grâce à ses grandes capacité, stabilité et cyclabilité et, possiblement dans un futur proche, pour les batteries tout-solide. Pour optimiser ses performances dans ces deux systèmes, une meilleure connaissance de sa réactivité, face aux électrolytes liquide et solide, est nécessaire. L’objectif de ce travail est de modifier la morphologie du matériau (taille et forme de particules), tout en contrôlant sa composition et sa structure, pour déterminer son impact sur la réactivité. Une série d’échantillons LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2 avec des structures cristallographiques proches de la structure lamellaire idéale 2D a ainsi été obtenue, avec différentes tailles de particules primaires variant de 200 nm à 2 μm, et de formes isotropes ou de types plaquettes. Des tests électrochimiques ont été effectués en batteries Li-ion et parfois en batteries tout-solide, dans différentes conditions (régime de cyclage, fenêtre de potentiel etc.). Des études ont ensuite été menées par diffraction des rayons X, microscopie et spectroscopie des photoélectrons X, pour caractériser, dans le cas de cette dernière, la nature des interfaces électrode positive/électrolyte et leurs évolutions au cours du cyclage. La réactivité de LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2 vis-à-vis de l’eau a également été étudiée, car le lavage à l’eau est une solution efficace utilisée pour éliminer certaines impuretés préjudiciables aux performances électrochimiques. Ce lavage affecte néanmoins la structure lamellaire, et requiert d’être suivi d’un traitement thermique approprié pour réparer la structure endommagée. Des caractérisations structurales, chimiques et de surface ont été effectuées sur des matériaux lavés et traités thermiquement afin d’étudier les mécanismes intervenant lors de ces traitements et d’améliorer la compréhension des phénomènes de dégradation et de réparation de la structure lamellaire.

The LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2 layered oxide is a very attractive positive electrode material for Li-ion batteries thanks to good capacity, stability and cyclability and, possibly in a near future, for all-solid-state batteries. To optimize its performances in both systems, a better knowledge of its reactivity, versus liquid and solid electrolyte, is needed. The aim of this work is to tailor its morphology (particle size and shape), while controlling its composition and structure, in order to determine its impact on the reactivity. A series of LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2 samples with crystallographic structures close to the ideal 2D layered structure were obtained, with different primary particle sizes from 200 nm to 2 μm and isotropic shape or platelet-shaped particles. Electrochemical tests were performed in Li-ion batteries and, sometimes, in all-solid-state batteries, in different conditions (cycling rate, potential window, etc). Studies were carried out by X-ray diffraction, microscopy and X-ray photoelectron spectroscopy, to study, for that latter, the nature of the positive electrode/electrolyte interfaces and their evolution during cycling. The reactivity of LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2 versus water was also studied, because the water washing is an efficient way to get rid of some impurities detrimental for the electrochemical performances. However, this washing affects the layered structure and required to be followed by an appropriate thermal treatment to repair the damaged structure. Structural, surface and chemical characterizations were performed on washed and heat-treated materials in order to study the mechanisms intervening during those treatments and improve the understanding of the layered structure degradation and reparation phenomena.