Etude d'interfaces électrode/électrolyte dans les batteries Li-ionApproche par XPS et AFM

Study of electrode/electrolyte interfaces of batteries lithium-ion. Approach by XPS and AFM.

• Auteur / Autrice : Stéphane Leroy
• Direction : Danielle Gonbeau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie - Physique
• Date : Soutenance en 2006
• Etablissement(s) : Pau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Accumulateurs

Spectroscopie de photoélectrons

Microscopie à force atomique

Méthodes ab initio (chimie quantique)

Résumé

Les accumulateurs lithium-ion sont aujourd'hui la principale source d'énergie de l'électronique portable (téléphones, ordinateurs,. . . ). Leur capacité (quantité d'électricité pouvant être fournie) est gouvernée par la structure électronique et cristallographique des matériaux d'électrode, alors que leur tenue en cyclage et leur durée de vie sont fortement liées à l'interface électrode/électrolyte. Dans ce travail de thèse, nous avons entrepris l'étude approfondie de couches interfaciales à l'aide de techniques d'analyse de surface adaptées permettant l'obtention d'informations chimiques et morphologiques : la spectroscopie photoélectronique à rayonnements X (XPS) et la microscopie à force atomique (AFM). Une part importante du travail a été consacrée à l'étude des couches formées au niveau du matériau d'électrode négative (graphite) d'une batterie lithium-ion commerciale : LiCoO2 // EC/DMC/DEC (2/2/1) ; LiPF6 (1mol. L-1) // graphite. Des approches originales d'analyse ont été mises en œuvre : 1) Etude approfondie de composés de référence ; différents produits de dégradation du solvant et du sel de l'électrolyte ont été caractérisés de façon approfondie par XPS. 2) Etude du processus de formation de la couche par le biais d'analyses systématiques XPS et AFM à différents états de charge par un suivi pas à pas. 3) L'influence de la nature de l'électrolyte a également été examinée. Nous avons ensuite abordé l'étude des couches interfaciales formées au niveau de l'électrode positive (LiCoO2) de la batterie Li-ion commerciale. Une extension du travail à d'autres matériaux prometteurs d'électrode négative (Cu6Sn5, CoSn2) a également été entreprise.

The lithium-ion batteries are today the principal source of energy of portable electronics (telephones, computers. . . ). Their capacity (quantity of electricity being able to be provided) is controlled by the electronic and crystallographic structure materials of electrode, whereas their behaviour in cycling and their lifespan are strongly related to the interface électrode/électrolyte. In this work of thesis, we undertook the thorough study of interfacial layers using adapted techniques of analysis of surface allowing obtaining chemical and morphological information : the X-ray photoelectronic spectroscopy (XPS) and atomic force microscopy (AFM). A significant share of work was devoted to the study of the layers formed on the level of material of negative electrode (graphite) of a commercial lithium-ion battery : LiCoO2// EC/DMC/DEC (2/2/1); LiPF6 (1mol. L-1)// graphite. Original approaches of analysis were implemented : 1) Thorough study of reference's composed; various breakdown products of solvent and the salt of the electrolyte were characterized thoroughly by XPS. 2) Study of the process of formation of the layer by the means of systematic analyses XPS and AFM in various states of load by a follow-up step by step. 3) The influence of the electrolyte's nature was also examined. We then approached the study of the interfacial layers formed on the level of the positive electrode (LiCoO2) of the commercial battery Li-ion. An extension of work to other promising materials of negative electrode (Cu6Sn5, CoSn2) was also undertaken.