In situ diffraction studies of electrode materials for Li-ion and Na-ion batteries

par Matteo Bianchini

Thèse de doctorat en Chimie. Chimie des solides et sciences des matériaux

Sous la direction de Christian Masquelier.

Soutenue le 23-10-2015

à Amiens , dans le cadre de École doctorale Sciences, Technologie et Santé (Amiens) , en partenariat avec Laboratoire de réactivité et chimie des solides (Amiens) (laboratoire) , Institut de chimie de la matière condensée (Bordeaux) (équipe de recherche) , Institut Max von Laue-Paul Langevin (équipe de recherche) et de Energie RS2E (équipe de recherche) .

  • Titre traduit

    Etudes de diffraction in situ pour matériaux d'électrode en batteries Li-ion et Na-ion


  • Résumé

    Ce travail vise à étudier les matériaux d'électrodes pour batteries Li-ion et Na-ion lors qu’ils fonctionnent à l'intérieur des batteries. Afin de comprendre l'évolution structurelle des matériaux alors que les ions Li+ ou Na+ sont insérés/extraits de leur cadre, on utilise principalement la diffraction, exploitant neutrons, rayons X et le rayonnement synchrotron (SR). Nous avons adopté une approche combinée des mesures ex situ, in situ et operando. Au début, nous avons conçu une cellule électrochimique pour mesures in situ de diffraction de neutrons sur poudre (NPD), avec un alliage en (Ti,Zr) "transparent aux neutrons"; cette cellule s'est ajoutée à l’ensemble de nos outils pour effectuer des études de type operando. Nous avons démontré leur faisabilité en utilisant LiFePO4, montrant de bonnes performances électrochimiques et des données NPD de haute qualité pour affinements structurales Rietveld. Ensuite, nous avons réalisé des études des spinelles Li1+xMn2-xO4 (x=0,0.05,0.10) et LiNi0.4Mn1.6O4: pendant le cyclage, nous avons rapporté des évolutions structurelles, des diagrammes de phases et paramètres subtils tels que le comportement du Li, ou les facteurs de température. L’utilisation complémentaire du SR a clarifié la nature de la phase ordonnée Li0.5Mn2O4. Nos études combinées ont concernées d’autres matériaux d'électrodes prometteurs: LiVPO4O et Na3V2(PO4)2F3. Les 2 révèle des comportements complexes pendant la (de)intercalation du Li+/Na+. Les données de haute qualité ont permis des analyses quantitatives, dévoilant la structure d'un grand nombre des phases ordonnées et menant à la compréhension du comportement des cations dans ces matériaux


  • Résumé

    This work aims at studying electrode materials for Li-ion and Na-ion batteries as they function inside batteries. Diffraction is the mainly used technique, exploiting neutrons, X-Rays and synchrotron radiation (SR), to obtain insights on the structural evolution of such materials as Li+ or Na+ are inserted/extracted from their framework. We adopted a combined approach of ex situ, in situ and operando measurements to extract a maximum of information from our studies. At first, we designed an electrochemical cell for in situ neutron powder diffraction (NPD) measurements, featuring a “neutron-transparent” (Ti,Zr) alloy; this cell, joined to others previously developed in our group, gave us a complete set of tools to perform our studies. We demonstrated the feasibility of operando NPD using LiFePO4, showing good electrochemical performances and high-quality NPD patterns for Rietveld structural refinements. Then we carried out detailed studies of spinels Li1+xMn2-xO4 (x = 0, 0.05, 0.10) and LiNi0.4Mn1.6O4: we reported phase diagrams, structural evolutions and subtle parameters as lithium's behavior inside the spinel framework, or thermal displacement parameters, directly upon cycling. Complementary use of SR shed light on other features, as the nature of the ordered phase Li0.5Mn2O4. Our combined studies concerned other promising electrode materials: LiVPO4O and Na3V2(PO¬4)2F3. Both revealed complex behaviors upon Li+/Na+


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