Etude Operando des accumulateurs au lithium par couplage spectroscopie à photoémission des rayons X et spectroscopie d'impédance

par Jorge eduardo Morales Ugarte

Projet de thèse en 2MGE : Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie

Sous la direction de Renaud Bouchet et de Anass Benayad.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de I-MEP2 - Ingénierie - Matériaux, Mécanique, Environnement, Energétique, Procédés, Production , en partenariat avec Laboratoire d'Electrochimie et de Physico-Chimie des Matériaux et des Interfaces. (laboratoire) depuis le 01-02-2016 .


  • Résumé

    La prise de conscience globale des implications de notre dépendance aux énergies fossiles et leurs impacts sur l'environnement a aboutie à un changement de paradigme énergétique. Très vite les accumulateurs Li-ion se sont placés à tous les niveaux des besoins énergétiques comme une solution à court et moyen terme. Face aux grands défis industriels dans les domaines des accumulateurs Li-ion, un effort de recherche fondamentale sur les matériaux impliqués est aujourd'hui indispensable pour un gain en efficacité, sécurité et une maitrise des couts de production. Dès les premiers travaux sur les différents types d'accumulateurs Li-ion, des protocoles de couplage entre la caractérisation électrochimique et physico-chimique ont été mis en oeuvre pour appréhender les différents phénomènes liés aux matériaux d'électrodes, électrolytes, et aux interfaces électrodes/électrolytes intervenants lors du fonctionnement d'un accumulateur Li-ion. Par exemple, grâce au couplage électrochimie/spectroscopie photoélectronique à rayonnement-X (XPS), des avancées considérables ont été réalisées pour la compréhension des facteurs responsables de la dégradation des batteries notamment les processus d'oxydo-réduction, et les mécanismes de formation des interfaces électrode-électrolyte communément appelées (solid electrolyte interface SEI). Cependant, et malgré les avancés faites dans ce domaine, toute la compréhension de ces mécanismes s'est faite dans le cadre d'études ex-situ qui nécessitent une manipulation spécifique des échantillons (arrêts intentionnés des accumulateurs, désassemblage, et lavage en boîte à gants). Pour s'affranchir de ces contraintes et accéder aux processus électrochimiques en temps quasi réel, nous proposons dans le cadre de cette thèse une étude par XPS en mode operando des processus électrochimiques dans les accumulateurs Li-ion. Pour ce faire, un intérêt particulier sera porté aux électrolytes à base de liquides ioniques (LI), matériaux composés d'un cation et d'un anion associés, afin de comprendre les processus de dégradation lors des cyclages dans les accumulateurs li-ion. Ainsi, nous proposons de modifier de manière contrôlée la structuration des LIs et évaluer l'impact sur leurs propriétés intrinsèques et sur leurs comportements en cyclage. Le couplage XPS en mode operando et spectroscopie d'impédance, permettra ainsi de comprendre la relation structure chimique (électronique)/mécanismes de diffusion ionique pour améliorer le transport des charges dans les accumulateurs Li-ion utilisant des électrolytes à base de liquide ionique.

  • Titre traduit

    In operando study of lithium batteries by coupling X-ray photoelectron spectroscopy and impedance spectroscopy


  • Résumé

    We propose in this thesis a study by operando XPS the electroochemical processes in Li-ion batteries. To achieve our target, particular attention will be paid to ionic liquid bases electrolytes (IL), materials composed of cation and anion associated molecules, in order to understand the processes of IL degradation during cycling in Li-ion batteries. thus, we offer a controlled way to change the structure of ILs and assess the impact on their intrinsic properties and their behavior during cycling. The operando XPS will be coupled to the impedance spectroscopy in the aim to understand the relationship between chemical structures, the ionic diffusion mechanisms in ILs to improve the transport phenomena at the interface ionic liquid based elecrolyte and elecrods materials in Li-ion batteries.