Anodes nanostructurées pour microbatteries 3D Li-ion

par Laurent Bazin

Thèse de doctorat en Sciences et génie des matériaux

Sous la direction de Patrice Simon et de Marie-Joëlle Menu.

Soutenue en 2009

à Toulouse 3 .

mots clés

• Energie
• Li-ion
• Batteries
• Sn
• SiO2
• Stockage
• Dépôt électrolytique
• Dépôt électrophorétique
• Capacité
• 3d
• Nanostructure
• Piles au lithium
• Conduction ionique
• Dépôt électrolytique

Résumé

Cette thèse a pour sujet l'élaboration et la caractérisation d'anodes nano-architecturées pour des applications en microbatteries Li-ion 3D. Ces électrodes sont basées sur un collecteur de courant nano-structuré, constitué d'un tapis de nano-piliers de cuivre (Ø200nm, L=2µm) alignés verticalement. L'objectif de ce travail a été de montrer les avantages d'une électrode tridimensionnelle en revêtant ce substrat avec différents matériaux actifs en utilisant différentes techniques. De l'étain métallique Sn a pu être déposé par voie électrochimique et forme une couche conforme sur la nanostructure de cuivre. L'électrode obtenue cycle à une capacité de 0,02 mAh. Cm-2 durant plus de 500 cycles, ainsi que 75% de rétention de capacité entre 0,05 et 6C. L'alliage Cu6Sn5 formé à l'interface cuivre/étain a été identifié comme responsable de cette bonne tenue en cyclage. Suite à ce résultat, on a tenté de réaliser un dépôt conforme de matériau actif par électrophorèse (EPD). Dans un premier temps, la faisabilité de ce dépôt a été prouvée en utilisant des nanoparticules de silice SiO2. Ces expériences ont permis de mettre en lumière l'importance de la qualité de la dispersion lors d'un dépôt électrophorétique sur un substrat nanométrique de géométrie complexe. Le dépôt EPD de nanoparticules d'oxyde d'étain SnO2 a ensuite été réalisé. Les tests électrochimiques de l'anode obtenue ont montrés un comportement identique à celui de l'anode de Sn. Ceci confirme l'intérêt de la technique d'EPD pour l'élaboration d'électrodes nanostructurées.

Titre traduit

Nanostructured anodes for Li-ion microbatteries

Résumé

The aim of this thesis is to elaborate and characterise nano-architectured anodes for Li-ion 3D microbatteries. These electrodes are based on a nanostructured current collector, consisting in vertically-aligned arrays of copper nanopillars (Ø200nm, L=2µm). The goal of this work is to highlight the merits of a 3D electrode prepared by coating this substrate using different techniques and active materials. Tin metal has been deposited by ELD and formed a conformal layer onto the Cu current collectors. The obtained electrode showed a capacity of 0,02 mAh. Cm-2 during more than 500 cycles and a retention capacity of 75 % between 0,05 and 6C. Cu6Sn5 alloy, formed at the Cu/Sn interface was identified as responsible of this good cycling behaviour. Then, we attempted to realise a conformal coating using the electrophoretic deposition technique. In a first step, the feasibility of this deposition was proved using silica nanoparticules. These experiments enlighted the importance of the quality of the dispersion during EPD onto a nanostructured substrate. After this, an EPD depositin of SnO2 nanoparticle has been realised. Electrochemical charactyerisations of the obtained SnO2 anodes show similar behavior as Sn anodes. This confirms the interest of EPD techniques for elaboration nanostructured electrodes.