Nanofils de silicium à façon pour nanocomposites de batteries Lithium-ion à haute densité d'énergie

par Caroline Keller

Projet de thèse en Chimie Physique Moléculaire et Structurale

Sous la direction de Pascale Chenevier et de Cédric Haon.

Thèses en préparation à l'Université Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale chimie et science du vivant (Grenoble) , en partenariat avec Systèmes Moléculaires et Nano Matériaux pour l'Énergie et la Santé (laboratoire) et de CIBEST (equipe de recherche) depuis le 01-10-2018 .


  • Résumé

    La technologie des batteries lithium-ion (LiB), utilisée pour l'électronique portable et les véhicules électriques, est basée sur des matériaux en constante évolution pour améliorer leur capacité de stockage d'énergie, leur durée de vie et leur sécurité. Le silicium est intéressant en tant que matière active car il peut absorber jusqu'à 10 fois plus de lithium que le carbone, matériau habituel dans l'électrode négative du LiB commercial. En outre, le silicium peut être mélangé avec du carbone dans l'électrode, ce qui permet des nanocomposites accordables. Pour une performance optimale de la batterie, le silicium doit être introduit sous la forme de particules ou de fils nanométriques, car les contraintes mécaniques pendant les cycles de charge / décharge induisent la fracturation de cristaux de silicium trop volumineux. Pour réduire les réactions secondaires à l'interface nanopoudre-électrode Si conduisant à l'immobilisation du lithium et à la perte de performance, le Si devrait être protégé par une couche de passivation, voire mieux incorporé à l'intérieur d'un microcomposite. Produire des nanofils de silicium (SiNWs) avec un état de surface contrôlé est donc important pour façonner leur réponse électrochimique dans la batterie, ainsi que faciliter leur incorporation dans un composite polymère. Notre laboratoire a récemment breveté un procédé de synthèse permettant la croissance en masse (échelle de gramme) de SiNWs sous forme de poudre. Contrairement aux SiNW produits par CVD standard, les SiNW actuels sont plus fins (10 nm de diamètre, quelques µm de longueur) et sont recouverts d'une couche organique hydrophobe fournie par l'organosilane utilisé comme source de silicium dans le procédé. Dans les résultats préliminaires, cette couche s'est avérée jouer un rôle important dans la réactivité chimique des SiNW, la réactivité électrochimique vis-à-vis de l'électrolyte, ainsi que leur solubilité et leur affinité vis-à-vis des adsorbants. Dans le but d'incorporer les SiNW dans LiB, cette coque organique sera un composant clé. Comprendre comment il se forme au cours de la synthèse SiNW est un défi important.

  • Titre traduit

    Custom synthesis of silicon nanowires for nanocomposites in high energy-density lithium-ion batteries


  • Résumé

    The lithium-ion battery (LiB) technology, used for portable electronics as well as electrical vehicles, is based on continuously changing materials to improve their energy storage capacity, life span and safety. Silicon is interesting as an active material because it can absorb up to 10 times more lithium than carbon, the usual material in the negative electrode of commercial LiB. Besides silicon can be mixed with carbon in the electrode, allowing for tunable nanocomposites. For optimal battery performance, silicon must be introduced in the form of nanosized particles or wires, because mechanical constraints during the charge/discharge cycles induce fracturing of too large silicon crystals. To reduce side-reactions at the Si nanopowder-electrode interface leading to lithium immobilization and performance loss, Si should be protected by a passivation layer, or even better incorporated inside a microcomposite. Producing silicon nanowires (SiNWs) with a controlled surface state is thus important to shape their electrochemical response in the battery, as well as facilitate their incorporation in a polymer composite. Our laboratory recently patented a synthesis process allowing for the mass (gram-scale) growth of SiNWs as a powder. Unlike SiNWs produced by standard CVD, the present SiNWs are thinner (10nm diameter, few µm long), and they are covered with a hydrophobic organic layer provided by the organosilane used as a silicon source in the process. In preliminary results, this layer proved to play an important role in the SiNW chemical reactivity, electrochemical reactivity towards electrolyte, as well as their solubility and affinity towards adsorbants. In the aim of incorporating the SiNWs in LiB, this organic shell will be a key component. Understanding how it is formed during the SiNW synthesis is an important challenge. In the present PhD project, the student will explore in depth the formation of SiNWs and their organic thin shell at SYMMES. Structural and chemical characterizations (SEM, TEM microscopy, EDX, XPS and NMR spectroscopies) will be used to draw a picture as complete as possible of the ongoing mechanism. Work will focus on tuning the chemical composition of the organic layer by changing the reaction conditions, so as to control the surface reactivity (control the yield of Si-H bonds, reduce rate of oxidation in air). The material will be tuned for highest electrochemical stability, while maintaining a proper electrical contact between SiNWs in a network. Electrochemical characterization and tests in LiB will be performed at LITEN. Finally, SiNWs will be incorporated in nanocomposites by mixing SiNWs with polymers and subsequent carbonization of the polymer matrix. The affinity of the SiNW surface for polymer will be tuned to obtain a homogeneous, tight wrapping. Following previous studies at LITEN, the polymer will be chosen as to produce the most compact and inert carbon matrix around the SiNWs, as assessed by electrochemical tests in LiB.