Développement du "SEM in situ/operando" et son application à l'étude des "défis interfaciaux" associés aux "batteries solides à base de métal Li"

Development of "in situ/operando SEM" and it's application to study the "interfacial challenges" associated with "Li metal based Solid state batteries"

• Auteur / Autrice : Neelam Ghanshyam Yadav
• Direction : Mathieu Morcrette, Carine Davoisne
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie. Electrochimie des Solides
• Date : Soutenance le 14/12/2022
• Etablissement(s) : Amiens
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, technologie et santé (Amiens)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de réactivité et chimie des solides (Amiens ; 1968-....)
• Jury : Président / Présidente : Sylvain Franger
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Romain Dugas
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christel Laberty-Robert, Claire Villevieille

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie d'impédance

Piles à électrolyte solide

Mots clés libres

Etude des interfaces

Électrolyte solide sulfuré

Microscopie électronique à balayage

Toutes les batteries à l'état solide

Impédance

All Solid state batteries (ASSB)

Scanning Electron Microscopy

Sulfide based Solid electrolyte

Fundamental of Interfaces

Impedance spectroscopy

Résumé

Une batterie dite "tout solide" utilise des électrodes solides et des électrolytes solides (ES) au lieu d'électrolytes liquides. L'un des principaux défis depuis plusieurs décennies est l'impossibilité d'utiliser le lithium métal comme anode pour les batteries à électrolyte liquide pour des raisons de sécurité. Cependant, c'est le métal qui possède la capacité spécifique théorique la plus élevée et le potentiel de réduction le plus faible. Ainsi, son utilisation comme anode permettrait de maximiser la densité énergétique. Avec les progrès des électrolytes solides dont certains dépassent la conductivité ionique des électrolytes liquides commerciaux, il y a un nouvel espoir de pouvoir enfin l'utiliser comme électrode tout en assurant la sécurité. Cependant, la route vers le succès des batteries tout solide est parsemée de défis notamment au niveau des "interfaces solide-solide". L'objectif de ce travail de doctorat est de contribuer à la compréhension fondamentale existante des défis interfaciaux en utilisant une cellule développée en interne pour réaliser des expériences de microscopie électronique à balayage (MEB) in situ/operando. Parmi les différentes techniques utilisées pour comprendre les défis posés par les batteries, la microscopie électronique à balayage (MEB) offre un bon compromis en termes de taille et de résolution d'observation avec la possibilité de réaliser des études avec une bonne résolution spatiale. En combinant l'imagerie avec des analyses chimiques par spectroscopie à dispersion d'énergie aux rayons X (EDX), une étude complète des modifications morphologiques et chimiques est possible. Pour compléter la compréhension des résultats obtenus par in situ/operando SEM, de la spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS) a été réalisée pour obtenir des informations supplémentaires du point de vue électrochimique

A Solid-state battery uses solid electrodes and Solid Electrolytes (SEs) instead of liquid electrolytes. One of the key challenges for decades has been the inability to use Li metal as an anode for liquid electrolyte-based batteries for safety reasons. Li has the highest theoretical specific capacity and lowest reduction potential. Thus using Li as an anode ensures maximizing the energy density. With advances in the SEs exceeding the ionic conductivity of commercial liquid electrolytes, there’s new emerging hope to finally use Li metal anodes. Thus the key motive for implementing SEs is to ensure safety and use the "Holy grail" Li metal anode. However, the road to the success of Li-solid state batteries is full of "solid-solid interfacial challenges". The goal of this PhD work is to contribute to the existing fundamental understanding of interfacial challenges using the in-house developed cell to perform in situ/operando scanning electron microscopy (SEM). Among different techniques being used to understand the fundamentals of battery challenges, scanning electron microscopy (SEM) offers a good compromise in terms of size and resolution of observation with the possibility to perform studies with a good spatial resolution. By combining the imaging with chemical analyses by X-ray energy dispersive spectroscopy (EDX), a complete survey of morphological and chemical modification is possible. The understanding from in situ/ SEM has been coupled with Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) to gain further insights from the electrochemical point of view