High energy density batteries using a gelled electrolyte, providing a long life and enhanced security
Batteries à forte densité d'énergie utilisant un électrolyte gélifié, présentant une longue durée de vie et une sécurité renforcée
Résumé
Currently, Li-ion batteries are widely used to power mobile devices, owing to their high performance and huge flexibility. Societal issues lead the scientific research to improve the energy density, lifetime and enhance the safety of this storage system. In this way, twice thesis objectives are develop: high capacity negative electrode materials for the high energy density aspect, and innovative polymer electrolytes for more secure conditions, in collaboration with ADEME and Total.MSnSb negative electrode materials, with M a transition metal, have particularly caught our attention because of the remarkable electrochemical performance and unexpected TiSnSb cycling in temperature. In order to understand the transition metal influence, the study focused on the determination of the electrochemical behavior of NbSnSb and ZnSnSb2 electrode materials. The materials lithiation / delithiation reaction mechanisms have been depth highlighted by operando measurements (DRX, Spectroscopie Mössbauer and XAS). The electrode / electrolyte interface evolution, for different electrolytes and temperatures cycling, was investigated by several surface analyzes (XPS, Auger ...) to determine the solid electrolyte interphase (SEI) composition. Because the Li-ion batteries aging is caused by the formation of this passivation layer, we started to develop polymer electrolyte, which is a major challenge to improve the cyclability and safety of these devices. Cyclic polycarbonates are notably, and more specifically polymeric materials based on glycerol carbonate methacrylate. Electrochemical performance of gelled, crosslinked and all-solid polymer electrolytes were evaluated for Li-ion and Na-ion batteries.
Actuellement, les batteries Li-ion sont massivement utilisées dans les dispositifs mobiles de notre quotidien, en raison de leur performance élevée et leur flexibilité accrue. Du fait d’une croissance intensive de ces systèmes de stockage, la recherche scientifique s’est intéressée à l’amélioration de leur densité d’énergie, durée de vie et au renforcement de leur sécurité. L’objectif double de cette thèse, en collaboration avec l’ADEME et Total, est d’élaborer de nouveaux matériaux d’électrodes négatives de forte capacité et de développer des électrolytes polymères innovants pour le fonctionnement de cette technologie dans des conditions plus sécurisées.Les matériaux d’électrodes négatives de composition MSnSb, avec M un métal de transition, ont particulièrement retenu notre attention en raison des performances électrochimiques remarquables et inattendue de TiSnSb en température. Dans l’optique de comprendre l’influence du métal de transition, l’étude a porté sur la compréhension des comportements électrochimiques des matériaux d’électrodes NbSnSb et ZnSnSb2. De ce fait, les mécanismes réactionnels de lithiation / délithiation des matériaux ont été étudiés en profondeur, grâce à des mesures operando (DRX, Spectroscopie Mössbauer et XAS). L’évolution de l’interface électrode/électrolyte, pour différents électrolytes et à différentes températures de cyclage, a été réalisée par différentes analyses de surface (XPS, Auger…). Ainsi la nature et l’évolution de la couche de passivation (SEI), ont pu être déterminées. Cette dernière étant à l’origine du vieillissement prématuré des batteries Li-ion, nous nous sommes orientés vers l’élaboration d’électrolyte polymère, qui est un défi majeur pour améliorer la cyclabilité et la sécurité de ces dispositifs. Un intérêt singulier, s’est porté sur l’intégration des polycarbonates cycliques, et plus spécifiquement sur le glycérol carbonate méthacrylate, comme brique élémentaire des matériaux polymères. Des électrolytes polymères gélifiés, réticulés et tout solides, pour batteries Li-ion et Na-ion, ont été réalisés afin d’en évaluer leur performance électrochimique
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Origine : Version validée par le jury (STAR)
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