Matériaux Avancés à Base des nanotubes de TiO2 pour la Fabrication de Microbatteries 3D Li-ion

Advanced materials based on titania nanotubes for the fabrication of high performance 3D li-ion microbatteries.

• Auteur / Autrice : Nana Amponsah Kyeremateng
• Direction : Thierry Djenizian
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des Matériaux, Physique, Chimie et Nanosciences
• Date : Soutenance le 23/11/2012
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Delaporte
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thierry Djenizian, Philippe Delaporte, Philippe Poizot, Philippe Knauth, Jose Luis Tirado, Patrik Schmuki
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Poizot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Métaux -- Oxydation anodique

Piles au lithium

Matériaux nanostructurés

Oxyde de titane

Mots clés libres

Anodisation

TiO2

Materiaux Anode

Microbatterie

Electrolytes des Polymerès

Anodization

TiO2

Anode material

Microbattery

Polymer electrolytes

Résumé

Le développement des dispositifs microélectroniques a dopé la recherche dans le domaine des microbatteries tout solide rechargeables. Mais actuellement, les performances de ces microbatteries élaborées par des technologies couche mince (2D) sont limitées et le passage à une géométrie 3D adoptant le concept “Li-ion” ou“rocking chair” est incontournable. Cette dernière condition implique de combiner des matériaux de cathode comme LiCoO2, LiMn2O4 or LiFePO4 avec des anodes pouvant réagir de manière réversible avec les ions lithium. Parmi tous les matériaux pouvant servir potentiellement d'anode, les nanotubes de TiO2 révèlent des propriétés intéressantes pour concevoir des microbatteries Li-ion 3D. Facilement réalisable, la nano-architecture auto-organisée a montré des résultats très prometteurs en termes de capacités à des cinétiques relativement modérées. L'utilisation des nanotubes de TiO2 en tant qu'anode conduit à des cellules présentant de faible autodéchargeet élimine le risque de surcharge grâce au haut potentiel de fonctionnement (1.72 V vs. Li+/Li). Dans ce travail de thèse, nous avons étudié la substitution des ions Ti4+ par Sn4+ et Fe2+ dans les nanotubes de TiO2. Bien que la présence d'ions Fe2+ n'ait pas amélioré les performances électrochimiques des nanotubes, nous avons pu mettre en évidence l'effet bénéfique des ions Sn4+. Nous avons aussi pu montré que la fabrication de matériaux composites à base de nanotubes de TiO2 et d'oxyde de métaux de transition électrodéposés se présentant sous forme de particules (NiO et Co3O4 ) augmentait les capacités d'un facteur 4.

The advent of modern microelectronic devices has necessitated the search for high-performance all-solid-state (rechargeable) microbatteries. So far, only lithium-based systems fulfill the voltage and energy density requirements of microbatteries. Presently, there is a need to move from 2D to 3D configurations, and also a necessity to adopt the “Li-ion” or the “rocking-chair” concept in designing these lithium-based (thin-film) microbatteries. This implies the combination of cathode materials such as LiCoO2, LiMn2O4 or LiFePO4 with the wide range of possible anode materials that can react reversibly with lithium. Among all the potential anode materials, TiO2 nanotubes possess a spectacular characteristic for designing 3D Li-ion microbatteries. Besides the self-organized nano-architecture, TiO2 is non-toxic and inexpensive, and the nanotubes have been demonstrated to exhibit very good capacity retention particularly at moderate kinetic rates. The use of TiO2 as anode provides cells with low self-discharge and eliminates the risk of overcharging due to its higher operating voltage (ca. 1.72 V vs. Li+/Li). Moreover, their overall performance can be improved. Hence, TiO2 nanotubes and their derivatives were synthesized and characterized, and their electrochemical behaviour versus lithium was evaluated in lithium test cells. As a first step towards the fabrication of a 3D microbattery based on TiO2 nanotubes, electrodeposition of polymer electrolytes into the synthesized TiO2 nanotubes was also studied; the inter-phase morphology and the electrochemical behaviour of the resulting material were studied.