Optimisation de la formulation d'électrodes négatives à base de silicium pour batteries au lithium

par Zouina Karkar

Thèse de doctorat en Chimie des matériaux

Sous la direction de Bernard Lestriez et de Lionel Roue.

Le président du jury était Mohamed Mohamedi.

Le jury était composé de Mathieu Toupin.

Les rapporteurs étaient Mickael Dollé, Steen Schougaard.


  • Résumé

    L’amélioration des dispositifs de stockage de l’énergie est cruciale pour la transition énergétique. Les batteries lithium-ion (LIB) sont centrales pour leurs fortes densités d’énergie et de puissance. Le développement de LIB de faible coût, avec une grande densité d’énergie et de puissance, et une grande durée de vie fait l’objet d’un travail acharné dans le monde entier. Le silicium est un matériau d’électrode négative prometteur car il possède une capacité spécifique dix fois supérieure à celle de l’état de l’art qui est le graphite. Lors de la (dé)lithiation la (dé)formation d’alliages entre le lithium et le silicium induit des variations de volume du matériau très importantes. Cela entraîne la décrépitation de l’électrode et une faible durée de vie. Le défi de cette thèse a été l’obtention d’électrodes de grammages élevés pour présenter un intérêt industriel, avec une bonne tenue au cyclage. La conception de telles électrodes nécessite d’optimiser ses différents composants afin d’atteindre de bonnes propriétés. Nous avons étudié le rôle du facteur de forme de l’additif conducteur (particule, fibre, plaquette) et de sa distribution dans l’électrode. Nous avons aussi effectué une comparaison minutieuse de deux liants polymères, la carboxyméthyle cellulose et l’acide polyacrylique. Enfin, nous avons montré que l’introduction d’une étape de maturation humide de l’électrode autorise sa densification par calandrage et ainsi permet d’atteindre des capacités volumétriques très supérieures à l’état de l’art. La durée de vie en cyclage reste cependant limitée en raison de l’instabilité de la couche de passivation formée par la décomposition de l’électrolyte.

  • Titre traduit

    OPTIMIZATION OF THE FORMULATION OF SILICON NEGATIVE ELECTRODES FOR LITHIUM BATTERIES


  • Résumé

    The improvement of energy storage devices is crucial toward the energy transition. Lithium-ion (LIB) batteries are central because of their high energy and power densities. The development of low-cost LIB, with high energy density and power, and a long lifespan is being fought over the world. Silicon is a promising negative electrode material because it has a specific capacity ten times greater than that of the state of the art which is graphite. During (de) lithiation, the formation of alloys between lithium and silicon induces very large variations in volume of the material. This leads to the disintegration of the electrode, leading to a short lifetime. The challenge of this thesis has been to obtain electrodes of high loadings to present an industrial interest, with a long cycle life. The design of such electrodes requires optimizing their various components in order to achieve adequate mechanical properties. We have studied in particular the role of the shape factor of the conductive additive (particle, fiber, and platelet) and its distribution in the electrode. We have also made a careful comparison of two polymeric binders, carboxymethyl cellulose and polyacrylic acid. Finally, we have shown that the introduction of a step of wet maturation of the electrode allows it to be densified by calendering and thus makes it possible to achieve volumetric capacities much higher than the state of the art. However, cycling life remains limited due to the instability of the passivation layer formed by the decomposition of the electrolyte.


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