Etudes sur les batteries Li-ion tout solides basse sur l'electrolyte solide LAGP en utilisant des techniques images multiéchelle

Study of All-solid-state Li-ion Batteries based on LAGP electrolyte using Multiscale Imaging Techniques

• Auteur / Autrice : Sorina Cretu
• Direction : Loïc Dupont, Arnaud Demortiere
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Chimie-Chimie des Solides et Sciences des Matériaux-25DCH1
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 26/01/2023
• 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)
• Jury : Président / Présidente : Muriel Veron
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Claire Villevieille, Montserrat Casas-cabanas, Matthew Mcdowell, Martial Duchamp, Christian Masquelier, Loic Dupont, Demortière Arnaud
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Claire Villevieille, Montserrat Casas-cabanas

Mots clés

Mots clés libres

Batteries Li-ion tout-solide

Tomographie au rayon X

In-situ (S)TEM

Fib

Batterie Li-ion

Electrochimie

All solid state Li-ion batteries

X-ray tomography

In-situ (S)TEM

Fib

Li-ion battery

Electrochemistry

Résumé

La demande croissante des véhicules électriques exige des batteries à haute densité d'énergie, une large compatibilité thermique et une technologie de sécurité améliorée. Les batteries tout solides pourraient représenter une possible solution d’avenir par rapport à la technologie actuelle car elles remplacent l'électrolyte liquide qui contient des matériaux organiques inflammables, offrent la possibilité d'utiliser des matériaux de cathode à haute tension et ouvrent la possibilité d'utiliser en toute sécurité le lithium métal comme anode, ce qui donnera des batteries à haute densité d'énergie. Les performances des batteries tout-solide se sont améliorées au cours des dernières années, mais des limitations concernant leurs interfaces, la conductivité ionique, la génération de fissures et de dendrites lors du cyclage limitent leurs performances. Pour être en mesure de concevoir de meilleures batteries toutes solides, il est nécessaire de mieux comprendre la nature des paramètres qui limite leur développement. Dans ce travail, diverses méthodes de caractérisation ont été réalisées pour comprendre le mécanisme de dégradation des batteries oxyde toutes solide qui utilisent comme électrolyte solide le LAGP. Une approche qui combine la tomographie FIB-SEM, EIS, SEM-EDX, XRD et RMN a été utilisée pour corréler la morphologie et la structure cristalline de la région des joints de grains avec leurs propriétés de conductivité ionique. Une compréhension profonde des réactions (électro)chimiques produisant à l'interface LAGP-lithium métallique a été réalisé en nous basant sur une combinaison de techniques ex-situ (SEM, TEM, SIMS) et in situ tomographie à rayons X qui nous a permis d'obtenir des informations sur la cinétique et les processus dynamiques. Enfin, le mécanisme de dégradation d'une batterie tout solide a été suivi à l'échelle nanométrique utilisant in situ STEM où l'apparition de fissures et des zones amorphe au sein du LAGP a été observée.

The increasing request for electric vehicles demands high energy density batteries, wide temperature compatibility and improved safety technology. Solid-state batteries could represent a possible future solution for the current battery technology as they replace the liquid electrolyte which contains flammable organic materials, they offer the possibility to use high voltage cathode materials and opens the possibility to use safely lithium metal as anode resulting in batteries with high energy density. Solid-state performances improved over the past the past years, but challenges regarding their interfaces, ionic conductivity due to grain boundaries limitations, generation of cracks and dendrites during cycling restrain their performances. To be able to design better solid-state batteries, insights into the nature of the parameters that impede their further development are required. In this work, various characterization methods were carried out to understand the degradation mechanism of oxide solid-state batteries based on LAGP as solid electrolyte. A combined approach using FIB-SEM tomography, EIS, SEM-EDX, XRD and NMR was used to correlate the morphology and crystal structure of the grain boundaries region with their ionic conductivity properties. We build understanding about the (electro)chemical reactions occurring at the LAGP-metallic lithium interface based on a combination of ex-situ techniques (SEM, TEM, SIMS) and in-situ X-ray micro-computed tomography allowing us to obtain information about kinetics and dynamic processes. Finally, the degradation mechanism of an all-solid-state battery was followed at the nanoscale using in-situ electrochemical STEM where the apparition of cracks and amorphous area within LAGP was observed.