Conception, mise en oeuvre et optimisation d'électrodes composites à bas coût pour accumulateurs Li-ion

Design, processing and optimization of composite electrodes at low cost for Li-ion battery

• Auteur / Autrice : Willy Porcher
• Direction : Dominique Guyomard, Séverine Jouanneau Si Larbi, Bernard Lestriez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux. Chimie du solide
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale chimie biologie (Nantes....-2008)
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université de Nantes. Faculté des sciences et des techniques

Mots clés

Mots clés contrôlés

Polyélectrolytes

Batteries lithium-ion

Péridots

Résumé

Ces travaux portent sur le développement d'électrodes composites positives de 3mAh. Cm-2 à base de LiFePO4, formulées en voie aqueuse. La viabilité de la formulation en voie aqueuse de LiFePO4 a d'abord été évaluée avec une étude sur sa stabilité dans l'eau. Les résultats montrent, entre autres, qu'une couche protectrice de Li3PO4 de quelques nanomètres se forme à la surface des grains sans répercutions néfastes sur les performances électrochimiques. Néanmoins pour limiter la perte de capacité associée à cette mise en œuvre, il est préférable de limiter le temps d'immersion et de concentrer les suspensions aqueuses de LiFePO4 et surtout, de ne pas modifier leur pH. Les formulations développées contiennent une combinaison de polymères solubles dans l’eau qui satisfont trois fonctions : celle de dispersant et stabilisant des poudres LiFePO4 et de noir de carbone, celle de donner des propriétés rhéologiques à l’encre d’électrode appropriées à la technique d’enduction, et celle de liant pour conférer une adhérence et une cohésion suffisantes à l'électrode. Des additifs avec des structures moléculaires et donc des propriétés spécifiques différentes sont testés, indépendamment, suivant la fonction recherchée par leur introduction. Un quatrième additif original a également été introduit, un polyélectrolyte synthétique amino-fonctionnel, afin de favoriser l'auto-assemblage entre le matériau actif LiFePO4 et le noir de carbone. Les électrodes de 3mAh. Cm-2 réalisées sont parfaitement manipulables, et leurs performances électrochimiques sont supérieures à celles classiquement réalisées en voie N-méthyle-2-pyrrolidone, avec une concentration en matériau actif plus élevée

This work is focused on the development of LiFePO4-based positive composite electrodes of 3mAh. Cm-2 through the aqueous processing route. The viability of the aqueous route for LiFePO4 was initially evaluated with a study on its stability in water. The results show, in particular, that a protective layer of Li3PO4 of some nanometers is formed at the grains surface but without any degradation of the electrochemical performances. However, to limit the capacity loss associated with the aqueous processing, this study shows that the immersion time should be limited, the solid loading of the LiFePO4 aqueous suspension should be high, and that the natural pH should not be modified. The formulations that were developed contain a combination of water soluble polymers which satisfies three functions: the one of dispersing and stabilizing agent of the LiFePO4 and carbon black powders, the one of giving proper rheological properties to the electrode ink with respect to the tape casting process, and the one of binder to confer a satisfactory adhesion and cohesion to the electrode. Additives with various molecular structure and therefore specific properties are tested, independently, according to the function sought by their introduction. A fourth original additive was also introduced, an amino-functional synthetic polyelectrolyte, with the aim to tailor a self-assembly between the LiFePO4 active material and the carbon black electronic conductor. The electrodes of 3mAh. Cm-2 obtained are perfectly easy to handle, and their electrochemical performances are superior than those classically obtained with the N-methyl-2-pyrrolidone route, with a higher active material concentration