Apport de la Spectroscopie Photoélectronique à rayonnement X à l’étude de nouveaux matériaux d’électrodes pour microbatteries au lithium

Contribution of X-ray Photoelectron Spectroscopy to the study of new electrode materials for lithium microbatteries

• Auteur / Autrice : Rabeb Grissa
• Direction : Hervé Martinez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie Physique
• Date : Soutenance le 10/02/2017
• Etablissement(s) : Pau
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences exactes et leurs applications (Pau, Pyrénées Atlantiques ; 1995-)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Éric De Vito
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Éric De Vito

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie de photoélectrons

Mots clés libres

XPS

Microbatterie

Couche mince

Électrode

XPS

Microbattery

Thin film

Electrode

Résumé

Les principales évolutions requises pour répondre aux besoins de la microélectronique visent à intégrer une micro-source d’énergie susceptible de fonctionner à plus bas potentiel que les systèmes actuels. Ainsi, en vue de répondre à cette demande, ce travail de recherche s’est focalisé sur l’étude, principalement par spectroscopie photoélectronique à rayonnement X (XPS), de deux matériaux d’électrode positive fonctionnant à 3 V vs Li+/Li : le spinelle LiMn2O4 et le Nasicon Fe2(MoO4)3. Le bismuth, matériau potentiel d’électrode négative susceptible de remplacer le lithium métallique et de subir le procédé de soudure classiquement utilisé en microélectronique (le solder reflow), est également étudié dans le cadre de cette thèse. Avant de caractériser ces matériaux en systèmes tout-solide, la première étape consiste à en étudier les comportements électrochimiques en électrolytes liquides. A cet effet, des couches minces d’une épaisseur d’environ 500 nm sont préparées par pulvérisation cathodique après une étape d’optimisation des paramètres de dépôt (puissance, pression partielle et totale dans l’enceinte de dépôt, température de recuit, …), puis caractérisées sur les plans structural (DRX), morphologique (SEM) et chimique (XPS, RBS, ICP). L’analyse des échantillons par XPS en fin de décharge et de charge a permis de mieux comprendre et d’expliquer les réactions électrochimiques se produisant au sein des matériaux et aux interfaces électrode/électrolyte dans les batteries au lithium. Une étude comparative avec un cyclage face au sodium a également été menée dans le cas du molybdate de fer et du bismuth, ce qui a permis d’identifier des comportements spécifiques lors de l’insertion/désinsertion des deux alcalins. L’homogénéité de la lithiation/sodation des couches minces a également été étudiée à partir de différentes analyses XPS menées après un procédé de décapage permettant de s’affranchir de la couche de passivation formée à l’interface électrode/électrolyte.Cette étude contribue à une meilleure connaissance des matériaux d’électrodes en cyclage pour micro-batteries au lithium et présente des perspectives très intéressantes d’intégration dans des dispositifs « tout solide ».

The main evolutions required for microelectronic applications aim to integrate an energy microsource operating at lower potential than current systems. Thus, in order to meet this demand, this research work has been focused on the study, mainly by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), of two positive electrode materials operating at 3 V vs Li+/Li: the spinel-type material LiMn2O4 and the Nasicon-type one Fe2(MoO4)3. The bismuth, a potential negative electrode material likely to replace the metallic lithium and to undergo the soldering process conventionally used in microelectronics (the solder reflow), has also been studied in this work. Before studying these materials in all-solid-state systems, the first step consists in investigating their electrochemical behaviors in liquid electrolytes. For this purpose, 500 nm-thick thin films are prepared by magnetron sputtering after a step of deposition parameters optimization (power, partial and total pressures in the sputtering chamber, annealing temperature, etc.). Physicochemical proprieties of the deposited thin films are then investigated by XRD, SEM, XPS, RBS and ICP analyses. The analyses of the electrodes by XPS at the end of discharge and charge has allowed better understanding of the electrochemical reactions occurring within the electrode materials and at the electrode/electrolyte interfaces in lithium cells. A comparative study with cycling against sodium has also been carried out in the case of iron molybdate and bismuth materials. This has allowed identifying specific behaviors of the thin films during the insertion/extraction of the two alkalis. The homogeneity of the thin films lithiation/sodiation has also been studied from various XPS analyses realized after etching process which allows eliminating the passivation layer formed at the electrode/electrolyte interface.This study contributes to a better knowledge of three potential electrode materials candidates for lithium micro-batteries and presents very interesting perspectives of materials integration in all solid state systems.