Etude des interfaces électrode/électrolyte de batteries lithium-ion 5V de type graphite/LiNi0.5 Mn1,5O4

par Christopher Charton

Thèse de doctorat en Chimie-physique, spécialité Electrochimie

Sous la direction de Hervé Galiano et de Daniel Lemordant.

Soutenue le 13-12-2017

à Tours , dans le cadre de École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire) , en partenariat avec Physico-Chimie des Matériaux et des Électrolytes pour l’Énergie (Tours) (équipe de recherche) .

Le président du jury était Kouakou Boniface Kokoh.

Le jury était composé de Jesus Santos Peña, Jean-Claude Jumas, Matthieu Le Digabel.

Les rapporteurs étaient Bernard Lestriez, Fannie Alloin.

mots clés

• Batterie lithium-ion
• Interfaces
• Graphite
• LiNi0,5Mn1,5O4
• XPS
• EIS
• GC-MS
• Électrolyte
• Additifs filmogènes
• Accumulateurs au lithium
• Graphite
• Passivité (chimie)
• Chromatographie en phase gazeuse
• Électrodes -- Additifs
• Carbone -- Composés
• Piles à électrolyte solide -- Additifs
• Spectroscopie d'impédance
• Électrocinétique (effets d'interface)
• Oxydation électrochimique

Résumé

Les accumulateurs graphite/LiNi0,5Mn1,5O4 (LNMO) permettent d’atteindre des densités d’énergie élevées grâce à leur tension de 5V. Toutefois, une dégradation des électrodes et des électrolytes à base d’alkylcarbonates et de LiPF6 a lieu à haut potentiel reste un problème qu’il est nécessaire de résoudre. L’ajout d’additifs fonctionnels à l’électrolyte comme l’AS, l’AM, le FEC ou le LiBOB forme des films de passivation aux interfaces électrode/électrolyte. Ces films réduisent la dégradation des matériaux et de l’électrolyte de l’accumulateur Gr/LNMO. Pour étudier le mécanisme d’action de ces additifs, les interfaces graphite/électrolyte et LNMO/électrolyte ont été caractérisées au moyen de cellules symétriques Gr/Gr et LNMO/LNMO et de cellules complètes. Les interfaces ont été étudié par spectroscopie d’impédance électrochimique (EIS) et photoélectronique à rayons X (XPS). De plus, l’électrolyte a été analysé par chromatographie en phase gazeuse liée à la spectrométrie de masse (GC-MS).

mots clés

• Lithium-ion batteries
• Interfaces
• Graphite
• LiNi0,5Mn1,5O4
• XPS
• EIS
• GC-MS
• Electrolyte
• Film maker additives

Titre traduit

Electrode/electrolyte interface studies of 5V graphite/LiNi0,5Mn1,5O4

Résumé

Gr/LiNi0.5Mn1.5O4 (LNMO) accumulators achieve higher energy densities than current commercial batteries. However, degradation of electrodes and electrolytes based on alkylcarbonates and LiPF6 takes place at high potential remains a problem which it needs to be resolved. The addition of functional additives to the electrolyte such as AS, AM, FEC or LiBOB which form passivation films at the electrode/electrolyte interfaces is a possible solution to these issues. These films reduce the degradation of materials and the oxidation of electrolyte in the Gr/LNMO accumulator. In order to study action mechanism of these additives, graphite/electrolyte and LNMO/electrolyte interfaces were characterized by symmetric Gr/Gr and LNMO/LNMO cells and full cells. Interfaces were investigated by electrochemical impedance spectroscpoy (EIS) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) while the electrolyte was analyzed by mass spectrometric gas chromatography (GC-MS).