Etude multi-échelle des mécanismes de (dé)lithiation et de dégradation d'électrodes à base de LiFePO¤ et silicium pour accumulateurs Li-ion

par Donatien Robert

Thèse de doctorat en Physique des matériaux

Sous la direction de Pascale Bayle-Guillemaud.

Le président du jury était Fannie Alloin.

Le jury était composé de Claude Delmas, Cyril Cayron, Adrien Boulineau.

Les rapporteurs étaient Philippe Moreau, Laure Monconduit.


  • Résumé

    Ces travaux ont permis d'approfondir les mécanismes de (dé)lithiation et de vieillissement dans des électrodes à base de silicium et de LiFePO4 pour accumulateurs Li-ion à partir d'observations multi-échelles. Des cartographies de phases, autant à l'échelle de la particule qu'à l'échelle de l'électrode, ont été menées par microscopie électronique mettant en évidence de fortes hétérogénéités. Pour le silicium, la mise en place de cartographie unique par STEM/EELS, s'appuyant sur une base de données des pertes faibles d'alliages sensibles à l'air et au faisceau d'électrons, a permis de comprendre les mécanismes de lithiation à l'échelle du nanomètre. L'étude de la première lithiation a montré des différences de mécanismes de réaction avec le lithium suivant deux facteurs : la taille des particules et les défauts au sein de celles-ci. Il a été observé une composition d'alliage LixSi plus faible pour les nanoparticules que pour les microparticules. Les défauts dus notamment au broyage constituent des sites préférentiels de lithiation. En vieillissement, les nanoparticules subissent de profonds changements structuraux et morphologiques, passant d'un état sphérique cristallin (50 nm) à un réseau de fils amorphe (5-10 nm d'épaisseur) contenu dans une matrice de SEI. Pour le LiFePO4, il a été clairement montré, par la combinaison de plusieurs techniques de microscopies électroniques (diffraction des électrons en précession, EFSD : Electron Forward Scattering Diffraction, EFTEM), que les particules de taille nanométrique (100-200 nm) étaient soit entièrement lithiées soit entièrement délithiées à l'équilibre thermodynamique. De fortes hétérogénéités ont été observées dans les électrodes fines comme dans les électrodes épaisses. A l'échelle des particules, l'analyse statistique de plus de 64000 particules a montré que les plus petites particules se délithient en premier. A l'échelle de l'agglomérat, les cartographies de phases ont révélé un mécanisme « cœur-coquille » : la réaction débute de la surface vers le centre des agglomérats. A l'échelle de l'électrode, le front de propagation de phase se déplace suivant des chemins préférentiels de plus grandes porosités de la surface de l'électrode vers le collecteur de courant. La conductivité ionique au sein de nos électrodes est le facteur limitant.

  • Titre traduit

    Multi-scale study of (de)lithiation and degradation mechanisms in LiFePO4 and silicon-based electrodes for Li-ion batteries


  • Résumé

    This work aimed at better understanding the (de)lithiation and aging mechanisms in LiFePO4 and silicon-based electrodes for Li-ion batteries from multiscale investigations. Phase mapping was performed by electron microscopy at the particle scale and at the electrode scale. This highlights some strong heterogeneities. The silicon study has shown some different lithium reaction mechanisms following two effects: particle size and crystalline defects. A smaller lithium amount in LixSi alloy was highlighted for the nanoparticles rather than for the microparticles. The defects mainly due to milling are preferential sites for the lithiation. In aging, the nanoparticles have undergone structural and morphological changes. The pristine crystalline spherical shape (50 nm) was transformed into an amorphous wire network (5-10 nm of thickness) contained in a SEI matrix. Thanks to a combination of electron microscopy techniques (precession electron diffraction, Electron Forward Scattering Diffraction, EFTEM), it was clearly shown that the LiFePO4 particles (100-200 nm) are either fully lithiated or fully delithiated at the thermodynamic equilibrium. Strong heterogeneities were observed in the thin and thick electrodes. At the nanoscale, the statistical analysis of 64000 particles unambiguously shows that the small particles delithiate in first. At the mesoscale, the phase maps reveal a core-shell mechanism at the scale of the agglomerates, from the surface to the center of these agglomerates. At the electrode scale, the phase front would move following preferential paths into the higher porosity from the surface in contact with electrolyte toward the current collector. The electrode ionic conductivity is the limiting parameter.


Il est disponible au sein de la bibliothèque de l'établissement de soutenance.

Consulter en bibliothèque

La version de soutenance existe

Où se trouve cette thèse\u00a0?

  • Bibliothèque : Université Grenoble Alpes. Bibliothèque et Appui à la Science Ouverte. Bibliothèque électronique.
  • Bibliothèque : Université Savoie Mont Blanc (Chambéry-Annecy). Bibliothèques universitaires. Bibliothèque électronique.
Voir dans le Sudoc, catalogue collectif des bibliothèques de l'enseignement supérieur et de la recherche.