Étude de la formation de SEI dans les batteries Li-ion à l'aide de nouvelles approches basées sur la XPS in situ

Investigating the SEI formation in Li-ion batteries using novel in situ XPS-based approaches

• Auteur / Autrice : Federico Giovanni Capone
• Direction : Alexis Grimaud, Jean-Pascal Rueff, Antonella Iadecola
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 05/04/2024
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Synchrotron SOLEIL
• Jury : Président / Présidente : Lorenzo Stievano
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Magali Gauthier, Fabrice Bournel, Patrick Le Fèvre
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Lorenzo Stievano, Giancarlo Panaccione

Mots clés

Mots clés contrôlés

Interfaces solide-liquide

Électrochimie

Spectroscopie de photoélectrons

Batteries lithium-ion

Électrodes

Électrolytes

Mots clés libres

SEI

Batteries

XPS

Lithium

Électrochimique

Interfaces

SEI

Batteries

XPS

Lithium

Electrochemistry

Interfaces

Résumé

La formation de la couche interphasique entre l'électrode et l'électrolyte (SEI) est cruciale pour le fonctionnement des batteries Li-ions: la présence de la SEI élargit la fenêtre thermodynamique des électrodes et facilite l'accès à des tensions élevées, améliorant ainsi les performances des batteries. La stabilité de la SEI empêche la décomposition des espèces d'électrolyte, conférant ainsi à la batterie une durée de vie prolongée, une stabilité améliorée et une sécurité renforcée. Malgré son rôle central, les processus régissant la formation de la SEI demeurent un sujet d'étude actuel. Parmi toutes les techniques appliquées pour étudier la formation de la SEI, la spectroscopie de photoélectrons des rayons X (XPS) est la technique la plus appropriée grâce à sa sensibilité chimique et de surface, permettant l'identification des différentes espèces formant la SEI. D'autre part, les contraintes expérimentales liées à la détection des photoélectrons et à l'environnement en ultra-vide peuvent limiter l'utilisation d'électrolytes liquides et empêcher l'étude des interfaces enterrées. Des approches innovantes avec l'XPS peuvent être développées grâce à l'utilisation des techniques de synchrotron aux rayons X. Dans ce travail de thèse, la formation de la SEI est étudiée en utilisant deux approches spectroscopiques novatrices: - La spectroscopie de photoélectrons des rayons X à pression quasi-ambiante (NAP-PES) avec un dispositif Dip & Pull pour étudier l'influence de la formulation de l'électrolyte; - Une cellule in situ électrochimique pour l'étude par XPS de haute énergie cinétique (HAXPES) operando de la SEI dans des conditions électrochimiques réalistes. Dans les deux cas, les résultats obtenus sont prometteurs, bien que des améliorations supplémentaires soient encore nécessaires, en particulier pour la cellule électrochimique in situ dédiée aux études de la SEI par HAXPES operando.

The formation of the solid electrolyte interphase (SEI) between the electrode and the electrolyte is critical for Li-ion battery functioning: the presence of the SEI expands the thermodynamic window of the electrodes and facilitate access to elevated voltages, improving the battery performances. Stability of the SEI prevents the decomposition of electrolyte species, thereby endowing the battery with prolonged life, improved stability, and enhanced safety. Despite its pivotal role, the enigmatic processes governing the SEI's formation remain the subject of ongoing investigation. Among all the techniques applied to study the SEI formation, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) is the suitable technique thanks its chemical and surface sensitivity, enabling the identification of the different species forming the SEI. On the other hand, the experimental constraints related to the photoelectron detection and the ultra-high vacuum environment, can limit the use of liquid electrolyte and prevent the study of buried interfaces. Innovative XPS approaches can be developed, thanks to the use of X-ray synchrotron techniques. In this work, the SEI formation is investigated using two novel spectroscopic approaches: -The near-ambient pressure XPS (NAP-PES) with a Dip & Pull setup, was used to study the influence of the electrolyte formulation; -The development of a tailored in situ cell for XPS at high kinetic energy (HAXPES) to study the SEI in a more realistic, electrochemical cell. In both cases, the obtained results were promising, while further improvements are still needed, especially for the in situ electrochemical cell dedicated to HAXPES operando studies of the SEI.