Effet de l'électrode positive et des contraintes mécaniques sur la cyclabilité de batteries Li-ion avec une anode à base de silicium

par Delphine Vidal

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

Sous la direction de Eric De vito.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble) , en partenariat avec CEA Grenoble / LITEN (laboratoire) depuis le 01-03-2018 .


  • Résumé

    L'interphase d'électrolyte solide (SEI) joue un rôle essentiel dans le fonctionnement et le vieillissement des matériaux d'électrode. Sa composition, ses propriétés physico-chimiques, son épaisseur, sa dynamique sont autant de facteurs conditionnant la dégradation des performances de la batterie. En particulier, c'est l'une des causes principes de piégeage du lithium et par conséquence de la perte de capacité des électrodes. La quantité de lithium dans une cellule Li-ion correspond principalement à l'addition du lithium nativement présent dans le matériau d'électrode positive et dans l'électrolyte. LITEN a une grande expérience de ces études à travers de nombreux projets combinant techniques d'analyses et matériaux d'électrode. La composition de la SEI, comme les contraintes mécaniques induites par le design de la cellule, font partie des paramètres essentiels susceptibles d'influencer la cyclabilité d'une cellule Li-ion. Il a été montré récemment dans différentes études que la nature de l'électrode positive pouvait modifier la composition de la SEI et par conséquent la cyclabilité de l'électrode négative. De même, les contraintes mécaniques imposées lors du cyclage électrochimique pourraient avoir une influence sur les propriétés critiques de l'électrode, comme par exemple la nature de la SEI. Dans ce projet de thèse, différents types d'électrodes positives (LCO, NCA, NMC) seront cyclés face à des électrodes négatives à base de silicium dans différentes conditions de cyclage. On se propose d'étudier l'influence de différents paramètres susceptibles d'impacter la nature et la composition de la SEI à l'électrode négative, et notamment la nature de l'électrode positive, les contraintes mécaniques imposées dans la "pouch cell" ou encore la composition de l'électrolyte. Ce travail nécessitera une caractérisation fine de la SEI et de la porosité induite en utilisant des outils de caractérisation de haut niveau : analyse de surface (XPS, Auger, ToF-SIMS), microscopie électronique (MEB, MET). La spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS) sera également utilisée comme technique complémentaire. L'un des principaux résultats attendus de ce projet est de mieux comprendre le rôle de la nature de l'électrode positive et des contraintes mécaniques imposées au niveau de la cellule sur l'évolution respective de l'électrode négative à base de silicium. L'objectif final est d'être en mesure de proposer des recommandations sur la composition des électrodes, le design des cellules, afin de permettre une meilleure cyclabilité des électrodes négatives à base de silicium dans celles-ci.

  • Titre traduit

    Effect of the positive electrode and of mechanical stresses on the cyclability of a Li-ion cell containing silicon-based negative electrode


  • Résumé

    The Solid Electrolyte Interface (SEI) plays an essential role in the operation and aging of the electrode material. Its composition, physico-chemical properties, its thickness, its dynamics are factors conditioning its influence on battery degradation. In particular, it is one of the main cause of lithium trapping and therefore of capacity fading of the electrodes. The amount of lithium in Li-ion cell corresponds mainly to the addition of lithium natively present in the electrode material (more exactly cathode before the first load) and in the electrolyte. LITEN has a good experience in this kind of studies through various related projects and PhDs combining different technics and electrode materials. The SEI composition, as well as the mechanical constraints induced by the cell design, are among the parameters which can influence the cyclability of a Li-ion cell. It has recently been shown in different studies that the nature of the positive electrode could modify the composition of the SEI and therefore on the cyclability of the negative electrode. Also, the mechanical constraints imposed during the cycling could have an influence on critical properties of the electrode such as the SEI nature. In the present PhD project, different positive electrode materials (LCO, NCA, NMC) will be cycled in front of silicon-based negative electrodes in various cycling conditions. It is proposed to study the influence of both parameters - nature of the positive electrode and mechanical stresses in pouch cell - on the evolution of the electrode SEI. This will require to characterize the SEI and the porosity by using high level characterization techniques among them surface analysis techniques (XPS, Auger, ToF-SIMS) and also FIB, SEM and TEM. Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) will also be used as a powerful complementary technique to follow the evolution of electrode porosity and may be related to the evolution of the amount of the generated SEI and also its composition during cycling. We expect, as one of the main results of this project, to better understand the exact role of the nature of the positive electrode on the respective evolution of the negative electrode (Si). In the end, it is expected to propose an understanding of the effect of the positive electrode material and cell design recommendation which will promote a higher cyclability of silicon-based negative electrodes in the Li-ion cell.