Réalisation d'avancées dans les batteries Na-ion par le décodage des voies de dégradation et l'ingénierie des électrolytes

Achieving Na-ion Battery Advancements Through Decoding Degradation Pathways and Electrolyte Engineering

• Auteur / Autrice : Parth Desai
• Direction : Jean-Marie Tarascon, Sathiya Mariyappan
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 02/10/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Chimie du solide et de l'énergie (Paris ; 2014-....)
• Jury : Président / Présidente : Mathieu Morcrette
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Kang Xu, Michael Metzger
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mathieu Morcrette, Valérie Pralong

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électrolytes

Batteries sodium-ion

Énergie -- Stockage

Mots clés libres

Batterie sodium-Ion

Interphase

Électrolyte

Longue vie

Haute puissance

Zéro volt

Sodium-Ion battery

Interphase

Electrolyte

Long Life

High power

Zero volt

Résumé

La dépendance croissante à l’égard des batteries lithium-ion pour le stockage de l’énergie nécessite l’exploration de produits chimiques alternatifs en raison des ressources limitées et géopolitiquement sensibles en lithium. La batterie sodium-ion, est considérée comme une alternative prometteuse, avec d’abondants précurseurs de sodium. Après une analyse comparative des paramètres critiques, la chimie Na3V2(PO4)2F3(NVPF)|hard carbon(HC) a été sélectionnée pour cette étude, de par la durabilité structurelle du matériau NVPF, ses performances énergétiques robustes et sa stabilité air/eau. Cette thèse explore de manière exhaustive cette technologie en étudiant les mécanismes de dégradation, en améliorant les performances des piles boutons à l'échelle du laboratoire et en transférant les résultats aux cellules 18650 commerciales. Dans un premier temps, les instabilités des matériaux NVPF ont été examinées, avec des températures élevées provoquant la dissolution du vanadium, conduisant à une dégradation de l'électrode NVPF, à une instabilité de l'électrolyte et enfin à une contamination de l'électrode HC. Les co-sels d'imide et le revêtement de carbone uniforme atténuent la dissolution du vanadium mais ne parviennent pas à supprimer les réactions électrolytiques indésirables. Par conséquent, les électrolytes Gen-3 méticuleusement conçus avec des additifs améliorent le cycle et la durée de vie des cellules à des températures élevées sans dégagement gazeux excessif. Un cosolvant d'acétate de méthyle à faible viscosité a été infusé dans l'électrolyte pour améliorer encore plus la puissance et les performances à basse température. L'électrolyte optimisé présente une durée de vie, des performances en Crate, une tolérance de température étendue et une sécurité remarquables, ce qui le rend adapté à une possible commercialisation. La thèse se termine par l'évaluation de la stabilité à 0 V des batteries sodium-ion, la compréhension des mécanismes de décomposition du SEI et la proposition de solution pour y pallier. Enfin, des orientations futures sont décrites pour propulser le développement des batteries Na-ion et remettre en question la technologie Li-ion basée sur LiFePO4.

The growing dependence on lithium-ion batteries for energy storage necessitates the exploration of alternative chemistries due to the limited and geopolitically sensitive lithium resources. The sodium-ion battery, considered a sustainable complement with abundant sodium precursors, is swiftly progressing towards commercialization. Following a comparative analysis of critical parameters, the Na3V2(PO4)2F3(NVPF)|hard carbon(HC) chemistry was selected for NVPF material's structural durability, robust power performance, and air/water stability. This thesis comprehensively navigates this technology by investigating degradation mechanisms, improving performance in lab-scale coin cells, and seamlessly transferring findings to commercial 18650 cells. At first, NVPF material instabilities were examined, with elevated temperatures causing vanadium dissolution, leading to NVPF electrode degradation, electrolyte instability, and finally, contamination of HC electrode. Imide co-salts and uniform carbon coating mitigate vanadium dissolution yet fail to suppress undesired electrolyte reactions. Hence, meticulously designed Gen-3 electrolytes with additives enhance cells' cycle and calendar life at elevated temperatures without excessive gassing. A low-viscosity methyl acetate cosolvent was infused in the electrolyte to enhance power and low-temperature performance further. The optimized electrolyte demonstrates remarkable cycle life, rate performance, extensive temperature tolerance, and safety, making it suitable for evaluation in commercial scenarios. The thesis concludes with assessing the 0V stability of sodium-ion batteries, comprehending SEI decomposition mechanisms, and proposing remedies. Lastly, future directions are outlined to propel Na-ion battery development and challenge LiFePO4-based Li-ion technology.