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Matériaux composites Si@C nanostructurés pour anodes de batterie Li-ion à haute densité d’énergie. Relations entre structure/morphologie et mécanismes de dégradation

Résumé : Un des enjeux de la transition énergétique est de disposer de systèmes de stockage denses en énergie, abordables, et conservant une bonne capacité pendant de nombreux cycles, afin d’aider à la décarbonation des transports. A l’anode des systèmes Li-ion, le silicium (Si) est un bon candidat pour le remplacement du graphite commercial grâce à sa capacité 10 fois plus élevée. Les mécanismes de dégradation du Si empêchent le déploiement à grande échelle. L’objectif de ce travail est d’optimiser les caractéristiques des matériaux pour la réalisation d’anodes performantes. Deux voies d’optimisation sont suivies : la réduction de la taille des particules et le dépôt d’une couche de carbone en surface du Si. La technique de synthèse employée est la pyrolyse laser à double étage, une technique de synthèse souple qui permet d’optimiser facilement les conditions de la réaction. Une gamme de tailles de particules comprise entre 29 nm et 107 nm est obtenue et les particules de 53 nm présentent les meilleures performances. Des nanoparticules de morphologie cœur-coquille (Si@C) de 29 nm sont obtenues en une étape par le dépôt d’une coquille de carbone en surface à des quantités maximales de 19 m%. Le carbone permet une meilleure rétention de capacité puisque 81 % de la capacité est conservée au bout de 50 cycles pour Si@C, contre 72 % pour Si. Une étude fondamentale par SIE et XPS a permis d’identifier que la composition chimique plus organique de la couche d’interface de Si@C, comparé à Si, permet la meilleure rétention de capacité observée pour Si@C. Une autre stratégie de stabilisation consiste à créer des alliages SiGe pour tirer parti de la meilleure stabilité du germanium. Plusieurs compositions d’alliages ont été synthétisées par pyrolyse laser. Elles montrent toute la formation d’une structure de type SiGe@Si. Les capacités obtenues sont supérieures à l’état de l’art pour une composition d’alliage proche de Si₀,₅Ge₀,₅.
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Theses
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Contributor : Abes Star :  Contact
Submitted on : Wednesday, May 20, 2020 - 4:53:08 PM
Last modification on : Wednesday, May 27, 2020 - 3:19:39 AM

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  • HAL Id : tel-02614162, version 1

Citation

Antoine Desrues. Matériaux composites Si@C nanostructurés pour anodes de batterie Li-ion à haute densité d’énergie. Relations entre structure/morphologie et mécanismes de dégradation. Matériaux. Université Paris-Saclay, 2019. Français. ⟨NNT : 2019SACLS279⟩. ⟨tel-02614162⟩

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