Synthèse et caractérisations de verres et vitrocéramiques - Applications au domaine du stockage de l’énergie (matériaux de cathode)

Synthesis and characterizations of glasses and glass-ceramics - Applications to the field of energy storage (cathode materials)

• Auteur / Autrice : Rémi Piotrowski
• Direction : Gaëlle Delaizir, Pierre-Marie Geffroy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux céramiques et traitements de surface
• Date : Soutenance le 03/03/2025
• Etablissement(s) : Limoges
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences et Ingénierie
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche sur les CERamiques (Limoges ; 2012-....)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Thomas
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mickael Dollé
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Patrick Rozier, Marie Guignard
• DOI : 10.70675/297f8f7dzeda8z4af3zaf34z901fd3d5cff5

Mots clés

Mots clés contrôlés

Énergie -- Stockage

Vitrocéramique

Mots clés libres

Verre

Cathode

Glass

Glass-Ceramic

Cathode

Résumé

Avec la demande croissante en systèmes de stockage d'énergie, l'intérêt pour les matériaux d'électrodes s'est intensifié au fil des années. Face aux préoccupations liées à une éventuelle pénurie de lithium, les batteries sodium-ion émergent comme une alternative prometteuse aux batteries lithium-ion. Cette thèse porte sur la synthèse, la cristallisation et la caractérisation de verres et vitrocéramiques issus des systèmes Na2O-V2O5-TeO2 et Na2O-V2O5-P2O5. La cristallisation ainsi que la mise en forme des verres par SPS ont été étudiées en détails pour une dizaine de compositions sélectionnées. Des études de caractérisations structurales et microstructurales approfondies ont été réalisées sur les matériaux synthétisés, puis les propriétés électrochimiques des vitrocéramiques et des verres parents ont été étudiées. Dans chaque cas, la conductivité des vitrocéramiques dépasse largement celle des verres parents, atteignant parfois une amélioration allant jusqu'à cinq ordres de grandeur. Ainsi, la présence de cristaux au sein d'une matrice vitreuse exerce un impact considérable sur les propriétés de conduction du matériau. L’élaboration de vitrocéramiques a permis entre autres de cristalliser les phases NaV6O15 et Na2V3P2O13. Celles-ci possèdent de bonnes propriétés électrochimiques, avec une conductivité mixte électronique et ionique, adéquat pour leur utilisation en tant que matériau de cathode.

With the growing demand for energy storage systems, interest in electrode materials has intensified over the years. In response to concerns about a potential lithium shortage, sodium-ion batteries are emerging as a promising alternative to lithium-ion batteries. This thesis focuses on the synthesis, crystallization, and characterization of glasses and glass-ceramics derived from the Na2O-V2O5-TeO2 and Na2O-V2O5-P2O5 systems. The crystallization process and shaping of the glasses via SPS were studied in detail for a selection of ten compositions. In-depth structural and microstructural characterization studies were performed on the synthesized materials, followed by the investigation of the electrochemical properties of the glass-ceramics and their parent glasses. In each case, the conductivity of the glass-ceramics significantly exceeds that of the parent glasses, with improvements of up to five orders of magnitude in some cases. Thus, the presence of crystals within a vitreous matrix has a significant impact on the material’s conduction properties. The development of glass-ceramics has, among other things, allowed the crystallization of the NaV6O15 and Na2V3P2O13 phases. These phases exhibit good electrochemical properties, with mixed electronic and ionic conductivity, making them suitable for use as cathode materials.