Evaluation et optimisation de la durée de vie d'électrodes élaborées en voie aqueuse pour des batteries de nouvelle génération

Evaluation and optimization of the cycle life of water-based electrodes for new generation Liion batteries

• Auteur / Autrice : Marie Bichon
• Direction : Bernard Lestriez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux
• Date : Soutenance le 28/11/2019
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matière, Molécules Matériaux et Géosciences (Le Mans)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Matériaux Jean Rouxel (Nantes) - Laboratoire d'innovation pour les technologies des énergies nouvelles et les nanomatériaux (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Renaud Bouchet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Willy Porcher, Julien Breger
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Margret Wohlfahrt-Mehrens, Laurence Croguennec

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cathodes

Oxydes métalliques

Accumulateurs

Mots clés libres

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Résumé

Le déploiement à grande échelle des véhicules électriques est conditionné par une augmentation de la densité d’énergie des batteries et une réduction de leur coût de fabrication. Concernant l’aspect énergétique, les oxydes lamellaires à base de nickel, manganèse et cobalt (NMC) sont des matériaux intéressants étant donné que l’augmentation de la teneur en nickel permetd’améliorer la capacité. D’autre part, la formulation aqueuse de ces matériaux peut contribuer à réduire les coûts de production. En effet, on peut s’affranchir des installations coûteuses utilisées pour récupérer et retraiter les vapeurs de N-méthylpyrrolidone (NMP), un solvant toxique communément employé pour la fabrication des électrodes positives, en remplaçant ce solvant par de l’eau. Le but de ce travail est de développer des formulations aqueuses d’électrodes de NMC532 (50% de nickel, 30% de manganèse et 20% de cobalt), et d’évaluer leur performance électrochimique. Les oxydes lamellaires étant sensibles à l’humidité, l’évolution de la surface du matériau durant la préparation de l’encre aqueuse a été étudiée au moyen de diverses caractérisations. Plusieurs voies ont été proposées pour développer des formulations aqueuses présentant des performances électrochimiques comparables à celles d’électrodes à base deNMP. En particulier, on s’est attaché à éviter la corrosion du collecteur de courant en aluminium, qui a lieu lors de l’enduction du fait du caractère basique de l’encre aqueuse. Le vieillissement de ces électrodes formulées envoie aqueuse a ensuite été étudié en cellulesLi-ion.

Increasing the energy density of Liion batteries while reducing their manufacturing costs is a milestone towards widespread application of electric vehicles. In this regard, high capacity materials have been developed, among them lithium nickel manganese cobaltlayered oxide (NMC), as their energy densitycan be increased with higher nickel content. Aqueous processing of these materials can contribute to cost reduction, by using water as a solvent instead of standard, toxic Nmethylpyrrolidone (NMP), whose use requires pricey installation to recover the vapors upon drying of the electrode. This study aims at developing aqueous formulations of NMC532 cathodes (50% nickel, 30% manganese and 20% cobalt), and assess their electrochemical performance. As layered oxides are sensitive towards water, surface modification of the material upon immersion in aqueous slurries was investigated through various characterizations. Several routes were proposed to develop water-based cathodes with electrochemical performance comparable to NMP-based electrodes. In particular, corrosion of the aluminum current collector occurring in aqueous processing owing to the alkalinity of the NMC slurry is avoided through the addition of phosphoric acid which buffers the slurry pH, or by using a carbon-coated collector. The ageing behavior of such aqueous processed electrodes was then investigated through post mortem analyses after long-term cycling in Li-ion cells.