Custom synthesis of silicon nanowires for nanocomposites in high energy-density lithium-ion batteries
Nanofils de silicium à façon pour nanocomposites de batteries Lithium-ion à haute densité d'énergie
Résumé
Silicon nanowires have already demonstrated their excellent performances as electrode materials for lithium-ion batteries. Silicon allows to drastically increase the energy density, and its nanostructuration as wires solves part of the associated problems. During the lithiation, silicon swells up to four times its volume, which drives to irreversible losses in the electrochemical cell. Nanostructuration limits the cracking of the particles, and the unidimensional form guarantees cohesiveness and a good connection of the material.Synthesis methods associated to these materials remain costly, and a commercialization in Li-ion batteries seems complicated. A recent innovative synthesis method developed and patented in SyMMES laboratory in 2015 is the starting point of this PhD project. By growing silicon nanowires as a powder, it allows to use them directly in the electrode ink of the electrochemical cell. The growth takes place in a closed reactor, containing powder as a support (sometimes sacrificial), a catalyst and the silicon source (often an oil of diphenylsilane, easy to handle at the lab scale).This method is worked and optimized in order to answer the challenges of lithium-ion batteries ; electrodes stability, energy density increase, and power issues. The synthesis is worked to vary the nanowires diameter, and the implications in electrochemistry are discussed. Likewise, two different catalyst are used for the growth of silicon nanowires. Here again, the consequences in electrochemical cells are discussed. Improvement of the electrochemical performances was achieved thanks to the fabrication of silicon-graphite composite, by introducing graphite directly in the synthesis reactor, allowing to grow the composite one-pot. The material is finely characterized, and the implications on the nano- and micro-structures of these composites are studied by small angle and wide-angle X-ray scattering (SAXS-WAXS), operando under the synchrotron beamline.
Les nanofils de silicium ont déjà démontré leurs excellentes performances en tant que matériaux d’électrode pour les batteries lithium-ion : le silicium permet d’augmenter significativement la densité d’énergie, et sa nanostructuration sous forme de fils résout une partie des problèmes qui lui sont associés ; lors de sa lithiation, le silicium gonfle jusqu’à environ quatre fois son volume, ce qui conduit à des pertes irréversibles dans l’accumulateur électrochimique. La nanostructuration limite les phénomènes de craquèlement des particules, et la forme unidimensionnelle permet de maintenir une bonne cohésion et connexion du matériau.Les méthodes de synthèse associées à ces matériaux restent coûteuses, et rendent difficilement envisageable une utilisation dans des batteries commerciales. Cette thèse s’appuie sur une méthode de synthèse innovante développée et brevetée au laboratoire SyMMES de Grenoble, en 2015. Elle permet de faire croître des nanofils de silicium en poudre, facilitant ainsi leur intégration dans les cellules électrochimiques. Elle s’appuie sur la croissance dans un réacteur fermé, contenant une poudre support (parfois sacrificielle), le catalyseur et la source de silicium (le plus souvent une huile de diphénylsilane, facilement manipulable en laboratoire).Cette méthode est travaillée et optimisée afin de répondre aux enjeux des batteries lithium-ion ; stabilité des électrodes, augmentation de la densité d’énergie, et problématiques de puissance. La synthèse est étudiée afin de faire varier le diamètre des nanofils, et les implications en électrochimie sont discutées. De même, deux catalyseurs différents sont employés pour la croissance des nanofils de silicium. Là encore, les conséquences sont discutées en cellule électrochimique. Un net progrès des performances électrochimiques a été atteint grâce à l’introduction de graphite dans la croissance, ce qui a permis de synthétiser un nanocomposite Si/C innovant en one-pot. Le matériau résultant est finement caractérisé, et les répercussions des nano- et microstructures de ces composites sont étudiées par diffusion des rayons X aux petits et grands angles, operando au synchrotron.
Origine : Version validée par le jury (STAR)