Synthèse et étude électrochimique de matériaux silicates utilisés en tant qu'électrode positive pour les accumulateurs Li-Ion - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2018

Synthesis and electrochemical study of silicate materials for Li-ion batteries

Synthèse et étude électrochimique de matériaux silicates utilisés en tant qu'électrode positive pour les accumulateurs Li-Ion

Résumé

The society is currently facing challenges such as global warming and rarefaction of resources. These issues have a factor in common, energy and more specifically its storage, for which lithium-ion batteries are today the state-of-the-art technology. Researchers and industries are focusing on the increase of energy density and safety and the reduction of toxic, costly and rare elements. In this study, positive electrodes based on silicate polyanionic materials are considered to fulfill these requirements. Two materials are studied, Li$_2$MnSiO$_4$ that exhibits appealing large capacity (>300mAh.g$^{-1}$) and an unreported LiMnSiO$_4$ with olivine structure that would have medium capacity (174 mAh.g$^{-1}$) but associated with a high voltage (>3.7V).In a first part, a nanocomposite material Li$_2$MnSiO$_4$/C is synthesized by sol-gel route. Its electrochemical and structural properties are studied. The different degradation phenomena are discussed thereafter. Al-doped and Mn-rich Li$_{2-x}Mn$_{1+x}$Al$_x$Si$_{1-x}$O$_4$/C is also proposed to lower the structural collapse during cycling. Finally the impact of its storage in air is assessed and a mechanism is proposed to explain the formation of Li$_2$CO$_3$.In a second part, a multistep synthesis is designed starting from olivine MgMnSiO$_4$/C, followed by chemical oxidation and electrochemical lithiation to obtain LiMnSiO$_4$/C. Each step is characterized to assess the structure, oxidation degree and electrochemical behavior of the final material.Finally, the testing of the two materials for space applications (LEO and GEO satellites profiles) confirms the better cyclability of LiMnSiO4/C and its validity as promising alternative to the conventional unstable Li$_2$MnSiO$_4$ compound
La société fait face à des défis tels que le réchauffement climatique et la diminution des ressources. Ils sont intimement liés à l’énergie et à son stockage, dont les batteries Li-ion sont à ce jour la technologie la plus utilisée. L’amélioration de la densité d’énergie et la sécurité, ainsi que la réduction des éléments toxiques, rares et coûteux sont recherchées. Durant cette étude, les électrodes positives basées sur des matériaux polyanioniques silicates sont considérées pour répondre à ces demandes. Deux composés sont particulièrement étudiés, Li$_2$MnSiO$_4$, dont la capacité spécifique est supérieure à 300mAh.g$^{-1}$ et LiMnSiO$_4$, de structure olivine, encore jamais répertorié, dont la capacité (174mAh.g$^{-1}$) et le potentiel (>3.7V) théoriques sont prometteurs.Dans un premier volet, un nanomatériau Li$_2$MnSiO$_4$/C est synthétisé par voie sol-gel. Ses propriétés électrochimiques et structurales sont étudiées. Les différents phénomènes de dégradation observés sont discutés par la suite. Une stratégie de dopage est proposée pour limiter la perte de capacité en cyclage par stabilisation de la structure via le composé Li$_{2-x}$Mn$_{1+x}$AlxSi$_{1-x}$O$_4$/C. Enfin l’influence du stockage à l’air de Li$_2$MnSiO$_4$/C est mise en évidence et un mécanisme concernant la formation de Li$_2$CO$_3$ est proposé. En seconde partie, une synthèse de LiMnSiO$_4$/C en plusieurs étapes est proposée à partir de l’olivine MgMnSiO$_4$/C, suivie d’une oxydation chimique et d’une lithiation électrochimique. Chaque étape est caractérisée pour déterminer la structure, l’état d’oxydation et le comportement électrochimique du matériau obtenu.Pour conclure cette étude, les deux matériaux optimisés ont été testés suivant les profils d’applications spatiales (satellites LEO et GEO). La meilleure cyclablité de LiMnSiO$_4$/C est confirmée ainsi que sa légitimité en tant qu’alternative prometteuse au matériau conventionnel Li$_2$MnSiO$_4$/C.
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Dates et versions

tel-01818023 , version 1 (18-06-2018)
tel-01818023 , version 2 (21-06-2018)

Identifiants

  • HAL Id : tel-01818023 , version 1

Citer

Guillaume Lefevre. Synthèse et étude électrochimique de matériaux silicates utilisés en tant qu'électrode positive pour les accumulateurs Li-Ion. Energie électrique. Université Grenoble Alpes, 2018. Français. ⟨NNT : 2018GREAI021⟩. ⟨tel-01818023v1⟩
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