Composites passivés à base de silicium comme matériaux d'anode pour batteries Li-ion optimisées pour les applications satellitaires

par Bastien Rage

Projet de thèse en Chimie Séparative, Matériaux et Procédés

Sous la direction de Pierre-emmanuel Lippens et de Nicolas Louvain.

Thèses en préparation à Montpellier , dans le cadre de Sciences Chimiques (Montpellier ; École Doctorale ; 2015-....) , en partenariat avec ICGM - Institut Charles Gerhardt de Montpellier (laboratoire) et de AIME - Agrégats, Interfaces, Matériaux pour l'Energie (equipe de recherche) depuis le 01-10-2018 .


  • Résumé

    Les batteries Li-ion sont actuellement les dispositifs de stockage électrochimique ayant les plus fortes densités massique et volumique d'énergie. Elles sont utilisées dans des systèmes très différents comme les smartphones, les véhicules électriques ou la gestion de l'intermittence des sources d'énergie renouvelable. Pour les satellites, une batterie Li-ion doit être légère et de petite taille, avoir une longue durée de vie, subir des milliers de cycles de charge-décharge et surtout présenter une bonne fiabilité car son remplacement en orbite n'est pas des plus simples ! Améliorer les performances des batteries Li-ion est donc un enjeu crucial, ce qui nécessite la recherche de nouveaux matériaux d'électrode. Actuellement, les matériaux d'anode pour batteries Li-ion sont essentiellement à base de carbone dont la capacité massique est limitée par le mécanisme d'insertion. Le silicium peut réagir électrochimiquement avec le lithium et former réversiblement des alliages LixSi conduisant à une capacité massique dix fois plus élevée que celle du carbone. Toutefois, les fortes variations volumiques associées à ce mécanisme ne permettent pas d'utiliser directement le silicium au sein des électrodes. Pour en atténuer les effets lors des cycles de charge-décharge, nous avons développé un composite constitué de particules de silicium enrobées dans une matrice à base d'intermétalliques. L'originalité de notre approche concerne le traitement de surface du composite (passivation) qui réduit les réactions chimiques parasites avec l'électrolyte à bas potentiel. Ce projet de recherche concerne l'optimisation de ces composites passivés à base de silicium pour répondre au cahier des charges des applications satellitaires. L'objectif est de proposer un prototype de batterie à l'échelle du laboratoire. Le travail de thèse porte essentiellement sur la synthèse des composites et le traitement de surface, les caractérisations structurales et texturales, la formulation des électrodes et les tests électrochimiques spécifiques aux satellites. De plus, une analyse des mécanismes réactionnels basée sur des techniques operando sera réalisée pour comprendre et maitriser l'effet du traitement de surface sur les performances électrochimiques. Enfin, le composite optimisé sera testé au sein de batteries complètes avec différents matériaux d'électrode positive.

  • Titre traduit

    Passivated composites based on silicon as anode material for Li-ion battery, optimised for satellites applications


  • Résumé

    Li-ion batteries are currently the electrochemical storage devices with the best mass density and energy stored. They are used in a lot of different systems such as smartphones, electrical vehicles or for managing the intermittency of renewable energy sources. In satellites application, a Li-ion battery needs to be light and small, be durable, undergo thousands of charging-discharging cycles and foremost be extremely reliable, as replacement in orbit is not the easiest of things. Upgrading the performances of Li-ion batteries is then a major stake, which needs the study of new electrode materials. As of now, the materials used for the anode of Li-ion batteries are mostly based on carbon, which mass capacity is limited by the insertion mechanism. Silicon can react with the lithium and constitute reversible LixSi alloys, allowing a ten times higher mass capacity. However, the significant volume variations tied to this mechanism forbid the direct use of silicon as electrode. In order to reduce the effects of the charge-discharge cycles, we have developed a composite constituted of silicon particles, coated by an intermetallic compound matrix. The uniqueness in our method is the surface treatment of the composite (passivation), which reduce the parasitic chemical reactions with the low potential electrolyte. This research project concern optimising those passivated composites bad on silicon, to respond to the requirements of satellite activities. The goal is to deliver a prototype of battery, at laboratory scale. The thesis work essentially focus on the synthesis of the composites and the surface treatments, the structural and textural characterisation, the formulation of the electrodes and the electrochemical tests related to satellites. Moreover, an analysis of the reaction mechanisms linked to treatment methods will be made in order to understand and control the effects of the surface treatments on the electrochemical performance. Finally, the optimised composite will be tried as part of a whole battery with multiple different positive electrode materials.