Rationalisation des mécanismes électrochimiques dans les batteries Li-ion par analyse vibrationnelle

par Aurélie Falcone

Projet de thèse en Chimie et Physico-Chimie des Matériaux

Sous la direction de Marie-liesse Doublet et de Mouna Ben yahia.

Thèses en préparation à Montpellier , dans le cadre de Sciences Chimiques , en partenariat avec ICGM - Institut Charles Gerhardt de Montpellier (laboratoire) et de D5 - Chimie Physique Théorique et Modélisation (equipe de recherche) depuis le 01-09-2018 .


  • Résumé

    Les accumulateurs Li-ion constituent la technologie la plus aboutie en termes de stockage électrochimique de l'énergie. Malheureusement, ce type de dispositif offre une densité d'énergie encore insuffisante pour des applications nécessitant une autonomie étendue. L'amélioration des performances électrochimiques des matériaux d'électrode est au cœur des recherches actuelles expérimentales et théoriques dans le domaine. Cette amélioration nécessite la compréhension des mécanismes redox ayant lieu en temps réel au sein de la cellule et plus particulièrement au niveau des électrodes. Au cours de cette thèse nous nous intéresserons aux matériaux de type oxydes de métaux de transition lamellaires qui apparaissent aujourd'hui comme une alternative intéressante aux électrodes actuelles en raison de leur activité électrochimique originale combinant à la fois une redox cationique et/ou anionique. Cependant, les mécanismes électrochimiques mis en jeu au cours des cycles de charge/décharge sont encore mal compris et la plupart de ces matériaux enregistrent une perte de potentiel et de capacité en raison d'instabilités structurales conduisant notamment au dégazage de O2 ou à des migrations cationiques. Le sujet de thèse vise à exploiter les informations issues de la spectroscopie vibrationnelle in situ de type Raman afin de les corréler à la variation de la nature des liaisons chimiques et de comprendre ainsi l'origine des modifications structurales subies par les matériaux au cours des cycles de charge/décharge. L'objectif final sera de trouver le ratio Li/métal à ne pas dépasser pour contrer les instabilités structurales dans ces composés et/ou de déterminer la combinaison de métaux de transition gagnante pour avoir des performances électrochimiques optimales. Cette thèse se fera en étroite collaboration avec les expérimentateurs du réseau de stockage électrochimique de l'énergie (RS2E) et est financée par une ANR Jeunes Chercheurs.

  • Titre traduit

    Rationalisation of electrochemical mecanism in Li-ion batteries through vibrational analysis concept


  • Résumé

    Li-ion accumulators are nowadays the most accomplished technology in term of miniaturized energy storage as it largely contributes to the numerical boom. Unfortunately, this kind of device still suffers from insufficient energy density for applications requiring vast autonomy. Thus, boosting the current electrode materials or designing new ones is a central goal of the ongoing research in this field both from the experimental and computational side. Developing a rapid and efficient characterization method for understanding the electrochemical mechanisms that occur in positive electrode materials within the lithium-ion batteries is the main goal of this thesis. The strategy is to tap into the wealth of information provided by the in situ Raman spectroscopy in particular intensities that are governed by polarizability and thus linked to the chemical bond changing during charge/discharge. The idea is to develop pertinent descriptors in order to rationalize the Raman intensities and establish a correlation with the structural variations. It will be then easy, with such relevant novel development, to envisage a quantitative monitoring of reaction intermediates and their proportions and thus rationalizing the involved process. This methodology will be applied to the Li-rich layered materials showing original electrochemical activities combining both cationic and/or anionic redox accompanied or not by O2 release and/or cationic migration. This proposal will be an important step forward as it will open routes to counteract the structural instability of these materials in finding the never-to-exceed Li/metal ratio and/or the winning combination of transition metals for optimal electrochemical performances.