Influence de l'architecture des matériaux d'anode 2D sur les performances électrochimiques des batteries

Investigation of the influence of 2D anode material architecture on electrochemical performance of Li-ion battery

• Auteur / Autrice : Mostafa Mohammadi
• Direction : Imad Arfaoui, Khashayar Khazen
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Chimie Physique
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 31/10/2024
• Etablissement(s) : Sorbonne université en cotutelle avec Université de Khatam
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Chimie physique et chimie analytique de Paris Centre
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : De la Molécule aux Nanos-Objets : Réactivité, Interactions et Spectroscopies
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Nanomatériaux et matériaux nano-structurés : Réactivité, Caractérisation et spectroscOpieS (NARCOS)
• Jury : Président / Présidente : Christel Laberty-robert
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Imad Arfaoui, Davoud Nasr esfahani, Mohammad Sadegh vaezi, Ozlem Sel, Reza Younesi
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Ozlem Sel, Reza Younesi

Mots clés

Mots clés libres

Microparticules de siloxène en couches

Processus de calcination

Anode de batterie lithium-ion

Hautes performances électrochimiques

Couche SEI

Layered siloxene microparticles

Calcination process

Lithium-ion battery anode

High electrochemical performance

SEI layer

Résumé

Les matériaux à base silicium bidimensionnels (2D), équivalents au graphène, sont particulièrement intéressants en raison de leurs propriétés électrochimiques et mécaniques inhérentes combinées à une anisotropie structurelle. Cette combinaison unique limite efficacement l'expansion volumique de la couche à l'interface entre l'anode et l'électrolyte (SEI) tout en augmentant considérablement la capacité spécifique de la batterie. Ce travail vise à améliorer les performances de stockage du lithium de microparticules de siloxène 2D, en particulier après un processus de calcination à 300°C. Les anodes de siloxène 2D atteignent une capacité stable de 1500 mAh g-1 à C/20 après 2 cycles, et une stabilité de cyclage d'environ 750 mAh/g après 200 cycles à 1000 mA/g, surpassant les électrodes de graphite de plus de trois fois, sans subir d'expansion de volume ni sacrifier leurs performances électrochimiques. Le processus de calcination modifie la surface des feuillets de Si en éliminant partiellement les groupes terminaux H et OH, réduisant ainsi la réduction des solvants, augmentant la teneur en LiF dans la couche SEI et améliorant l'affinité entre le siloxène et LiF. En conséquence, la stabilité après plusieurs cycles des électrodes de siloxène est grandement améliorée par rapport aux anodes à base de nanoparticules de Si de 100 nm. La calcination apparaît donc comme une méthode prometteuse pour améliorer les propriétés électrochimiques des électrodes de siloxène, offrant des perspectives intéressantes pour la conception d'anodes de batteries lithium-ion haute performance. De plus, l'utilisation d'un additif électrolytique (FEC) a encore réduit la perte de capacité à des taux de charge plus élevés et prolongé le cyclage. La formation et l'évolution des couches SEI ont été étudiées en utilisant l'XPS et le SEM en utilisant des coupes transversales des anodes.

Two-dimensional (2D) silicon (Si) materials, which are the silicon equivalents of graphene, are especially noteworthy because of their inherent electrochemical and mechanical properties combined with structural anisotropy. This unique combination effectively limits the growth of the SEI layer while significantly boosting the battery's specific capacity. This work aims to enhance the Li-storage performance of 2D siloxene microparticles, particularly following a calcination process at 300°C. The 2D siloxene anodes achieve a stable capacity of 1500 mAh g-1 at C/20 after 2 cycles, and cycling stability of about 750 mAh/g after 200 cycles at 1000 mA/g, surpassing graphite electrodes by more than threefold, all without experiencing volume expansion or sacrificing electrochemical performance. The calcination process alters the Si plate surface by removing partially H- and OH-terminated groups, reducing solvent reduction, increasing the LiF content in the SEI layer, and enhancing siloxene's binding affinity to LiF. As a result, the cycle stability of siloxene electrodes is greatly improved compared to 100 nm Si nanoparticle-based anodes. Calcination thus emerges as a promising method to improve the electrochemical properties of siloxene electrodes, offering key insights for designing high-performance lithium-ion battery anodes. Additionally, the use of an electrolyte additive (FEC) further reduced capacity loss at higher charge rates and extended cycling. The formation and evolution of the SEI layers were examined using XPS and cross-section SEM.