Optimization of silicon electrodes for lithium-ion batteries : new molecular binders and coordination coatings
Optimisation d’électrodes de silicium pour batteries lithium-ion : nouveaux liants moléculaires et revêtements de coordination
Résumé
Among all potential active materials for the negative electrodes of Li-ion batteries, silicon is considered as one of the most promising candidate because of its high specific and volumetric capacities, about 3600 mAh.gˉ¹ and 2200 mAh.cmˉ³ respectively, as well as its low operation voltage (0.4 V vs. Li/Li⁺), natural abundancy and environmental benignity. However, during the lithiation (formation of LiₓSi, x~3.75) the silicon undergoes an expansion of about 280% of its initial volume which induces numerous damages to the electrode as: i) silicon particles pulverization, ii) instable solid electrolyte interface (SEI) and iii) loss of the cohesion of the electrode and of its adhesion with the current collector. To circumvolve those issues, we propose a new formulation of composite electrode with an original binder based on a natural polyphenol, namely tannic acid. The very great originality of this binder is that it eliminates the need to add any electronic conducting carbon additive. In the other hand, we explore the properties of a coordination polymer a coating at the silicon surface, and its interest as an artificial passivation layer.
Parmi tous les matériaux actifs potentiels pour les électrodes négatives des batteries Li-ion, le silicium est considéré comme l'un des candidats les plus prometteurs en raison de ses capacités spécifiques et volumétriques élevées, environ 3600 mAh.gˉ¹ et 2200 mAh.cmˉ³ respectivement, ainsi que de son faible potentiel de fonctionnement (0,4 V vs. Li⁺/Li), de son abondance et de sa faible toxicité. Cependant, lors de la lithiation (formation de LiₓSi, x ~ 3.75) le silicium subit une expansion d'environ 280% de son volume initial qui induit de nombreux dommages à l'électrode tels que : i) la pulvérisation des particules de silicium,ii) l'instabilité de l'interface électrode-électrolyte (SEI) et iii) la perte de cohésion de l’électrode et de son adhésion avec le collecteur de courant. Pour pallier ces problèmes, nous proposons une nouvelle formulation d'électrode composite à base d’un liant naturel de type polyphénol, à savoir l'acide tannique. La très grande originalité de ce liant est qu’il permet de s’affranchir d’additif conducteur électronique carboné. D'autre part, nous explorons les propriétés d’un polymère de coordination en tant que revêtement de la surface du silicium, et son rôle potentiel de couche de passivation artificielle.
Origine : Version validée par le jury (STAR)