Synthèse et protection d'anode de lithium ou d'alliage comprenant du lithium pour utilisation en système « tout solide »

Synthesis and protection of lithium or lithium alloy anodes for use in solid-state battery

• Auteur / Autrice : Yves Phan
• Direction : Éric De Vito
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : MAT - Matériaux
• Date : Inscription en doctorat le 01/11/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LITEN / CEA Grenoble
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : DEHT

Mots clés

Mots clés libres

Lithium

Batteries

Alliage

Tout-solide

Lithium

Batteries

Alloy

All-solid-state

Résumé

Les batteries Li-ion commerciales actuelles comprennent des électrodes positives à base d'oxyde de Ni, Co, Mn et des électrodes négatives à base de graphite et/ou de silicium, permettant d'atteindre des densités d'énergie d'environ 260 Wh.kg-1 et 770 Wh.L-1. Le lithium métal ayant de faibles masses molaires et volumiques, ainsi qu'un potentiel standard très négatif (-3,04V vs ESH), son utilisation permettrait d'augmenter considérablement la densité d'énergie de ces systèmes. C'est un enjeu majeur des recherches actuelles. Cependant, l'utilisation d'une telle électrode conduit rapidement à des courts-circuits au cours des cycles de charge/décharge, que ce soit avec un électrolyte liquide ou avec un électrolyte solide. En effet, le lithium est très réactif, il peut se déposer en surface des électrodes sous forme de mousse ou de dendrites lors de la lithiation de l'électrode négative. Par ailleurs, l'interface qu'il forme avec l'électrolyte est instable. Plusieurs voies sont étudiées afin de diminuer ces risques, le candidat en examinera deux : l'utilisation d'alliages de lithium et la protection, par un revêtement, du lithium et de ces alliages si nécessaires. Dans un premier temps, le doctorant assurera la synthèse des alliages via différentes voies (voie fondue, co-laminage, etc.). La protection du lithium sera réalisée par voie solide et/ou voie liquide. Ces alliages seront ensuite finement caractérisés tout comme le lithium protégé (nature chimique, morphologie, homogénéité). Ces matériaux seront testés électrochimiquement dans des cellules tout-solide. Deux types de cellules sont à disposition : des cellules à électrolyte « polymère » et des cellules à électrolyte « sulfure », afin d'évaluer la performance de telles anodes vis-à-vis de chacune de ces familles de matériaux. Le candidat s'appliquera enfin à comprendre finement les phénomènes mis en jeu (réactions chimiques,comportements mécaniques, etc.), notamment aux interfaces, par des études post mortem et en s'appuyant sur des caractérisations avancées (en utilisant en particulier la résonance magnétique nucléaire, la spectrométrie photoélectronique X, la spectrométrie de masse des ions secondaires par temps de vol, ou la diffraction des rayons X)

The use of lithium metal at the negative electrode would significantly increase the energy density of current batteries. However, today, this material quickly leads to short circuits during charge/discharge cycles, with a liquid electrolyte and solid electrolyte. Indeed, lithium is very reactive, it can deposit on the surface of the electrodes to form foam or dendrites and creates an unstable interface with the electrolyte. The aim of the thesis is to study two solutions to this problem: the use of lithium alloys and the protection of lithium by a coating. Several synthesis and fabrication routes will be explored. These materials will be electrochemically tested in all-solid cells with a 'polymer' electrolyte and cells with a 'sulphide' electrolyte, in order to evaluate the performance of such anodes with respect to each of these families of materials. The phenomena involved, particularly at the interfaces, will be deeply studied using advanced characterisations (in particular nuclear magnetic resonance, X-ray photoelectron spectrometry, time-of-flight mass spectrometry of secondary ions, or X-ray diffraction).