Nouvelles architectures d'anodes à base de silicium pour les batteries lithium-ion à charge rapide et à haute capacité énergétique

Novel silicon-based anode architectures for high energy capacity fast charging lithium-ion batteries

• Auteur / Autrice : Tetiana Petrova
• Direction : Imad Arfaoui, Dimitrios Gournis
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Chimie Physique
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2024
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• 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

Mots clés

Mots clés libres

Microsphères creuses multicoquilles

Anode à base de silicium

Batteries lithium-ion

Hollow multishelled microspheres

Silicon−based anodes

Lithium-ion batteries

Résumé

Le silicium est un matériau anodique très prometteur pour les batteries lithium-ion, car sa capacité gravimétrique théorique (capacité de stockage en mAh par g de matériau) et sa capacité volumétrique (capacité de stockage en mAh par cm3 de matériau) sont nettement supérieures à celles du graphite (le matériau actuellement utilisé dans les batteries Li-ion commerciales), mais son application est limitée en raison de sa faible conductivité électronique et de son important changement de volume (gonflement et fissuration) au cours du processus de lithiation/délithiation. Jusqu'à présent, des modifications structurales des matériaux d'anode à base de silicium comme des structures bidimensionnelles multicouches ou des nanostructures sphériques ont été utilisées pour améliorer la cinétique des ions lithium, la stabilité mécanique et le contrôle de l'expansion volumique. L'utilisation de microsphères multicoquilles creuses à base de silicium comme matériau actif reste encore à étudier. Ce projet vise principalement à concevoir, pour des batteries lithium-ion, des matériaux d'anode à base de silicium à l'échelle microscopique hiérarchiquement structurés, composés de structures nanométriques telles que des microsphères creuses avec une nanostructure multicoquille, permettant un espace suffisant pour le stockage du lithium, en limitant les volumes « morts », et une suppression efficace de l'expansion volumique.

Silicon is a promising anode material for lithium-ion batteries but its application is limited due to its low electronic conductivity and severe volume change during the lithiation/delithiation process. While both silicon-based layered structures and hollow spheres have previously been investigated as anode active materials, the application of silicon-based hollow multilshelled microspheres has not yet been studied. This project mainly aims to design microscale silicon-based anode materials with hierarchical structures composed of nanosized structures like hollow microspheres with multilayer onion-like shell nanostructure, enabling ample space for lithium storage and efficient volume expansion suppression.