Particules core-shell à base de silicium comme matériaux d'anode pour batteries Li-ion

Silicon core-shell particles as negative electrode material for Li-ion batteries

• Auteur / Autrice : Bastien Rage
• Direction : Pierre-Emmanuel Lippens, Nicolas Louvain
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie Séparative, Matériaux et Procédés
• Date : Soutenance le 09/12/2021
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Chimiques (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Charles Gerhardt (Montpellier ; 2006-....)
• Jury : Président / Présidente : Fermín Cuevas
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre-Emmanuel Lippens, Nicolas Louvain, Fermín Cuevas, Katia Guerin, Rémi Dedryvère, Diane Delbegue
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Katia Guerin, Rémi Dedryvère

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électrodes

Satellites

Silicium

Mots clés libres

Batteries Li-Ion

Electrodes négatives

Silicium

Core-Shell

Poly-Dopamine

Satellites

Li-Ion batteries

Negative electrodes

Silicon

Core-Shell

Poly-Dopamine

Satellites

Résumé

L’arrivée de nouveaux acteurs dans le domaine de l’aérospatial a entrainé un regain d’engouement et d’activité autour de l’Espace. Alors, pour relever les nouveaux défis qui s’annoncent, l’avancement des technologies actuelles est nécessaire. Pour le stockage de l’énergie, les batteries Li-ion dominent fortement le secteur, mais ont peu évoluée ces dernières années. Cette thèse, co-financée par le CNES et la région Occitanie, à dans l’optique de développer un matériau pouvant augmenter nettement la capacité spécifique du système Li-ion.Le silicium est étudié depuis plusieurs décennies comme remplacement du carbone à l’anode des batteries Li-ion. Son bas potentiel et surtout sa capacité spécifique exceptionnelle, plus de dix fois celle du carbone, font du silicium le matériau le plus prometteur. Cependant l’expansion volumique qui accompagne la réaction d’alliage avec le lithium et les problèmes qui en découlent limitent encore son utilisation en haute proportion dans une électrode commerciale. Dans ces travaux, l’utilisation d’une molécule naturelle, la dopamine est proposée pour réduire l’impact des expansions volumiques du silicium sur la durée de vie de l’électrode. La dopamine polymérise en solution au tour d’un substrat, dans des conditions simples d’obtention. Trois types de particules core-shell ont été synthétisés à l’aide des propriétés de la dopamine : Si@C, Si@C@Li3PO4 et Si@C-Métal. Dans chaque cas, la structure a été analysée par différentes méthodes (DRX, Raman, TEM,…) puis les effets des coquilles sur les propriétés électrochimiques ont été évalués en demi-pile face au lithium. Ces différentes particules ont ainsi permis de montrer toutes la polyvalence de la poly-dopamine et de la structure core-shell, laissant entrevoir un futur prometteur.

New actors have emerged in the aerospace sector recently, renewing the interest in space exploration and bringing growth to space activities. As such, to rise to the challenges that will come in the future, developing adequate technologies is needed. Energy storage systems for Space missions are widely dominated by the Li-ion technology, which has not evolved much in the past years. This work, co-financed by CNES and Région Occitanie, is aimed at developing a material able to raise significantly the specific capacity of Li-ion batteries.Silicon have been studied for several decades as replacement for graphite at the negative electrodes of such systems. Its low potential and impressive specific capacity, more than ten times that of graphite, make silicon one of the most promising material. However, the volumetric expansion linked to the alloying reaction with Lithium, and the different issues related, strictly limit the use of silicon in commercial electrodes. In fact, silicon is currently only used as an additive to boost carbon capacity. In this work, the use of a natural compound, dopamine, is suggested as a solution to restrain the impact of the expansion on the electrode life expectancy. Dopamine is able to self-polymerize in easy-to-obtain condition, covering nearly any substrate. Three types of core-shell particles have been realized: Si@C, Si@C@Li3PO4 and Si@C-Metal. In each cases, the structure was studied by several methods (XRD, Raman, TEM,…), before the effects of the shell on the electrochemical properties were evaluated in half-cell versus lithium. The particles studied in this work show the versatility of poly-dopamine and the core-shell structure, hinting at a bright future.