Mise au point et étude du comportement d’un séparateur innovant pour batterie lithium-ion à électrode négative à conversion

par Mélanie Bancelin

Thèse de doctorat en Sciences. Chimie des matériaux. Sciences des matériaux

Sous la direction de Jean-Marie Tarascon.

Soutenue en 2012

à Amiens .

mots clés

• Accumulateurs au lithium-polymère -- Thèses et écrits académiques
• Électrophorèse -- Thèses et écrits académiques
• Électrolytes -- Thèses et écrits académiques
• Conduction ionique -- Thèses et écrits académiques

Résumé

Cette thèse réalisée en collaboration avec EDF R&D, concerne le développement d’un séparateur innovant pour batteries lithium-ion à conversion d’ions lithium, pour une application en véhicule électrique. La particularité de ce séparateur est d’être déposé électrochimiquement sur l’électrode négative de la batterie par la technique de la cataphorèse, qui permet le dépôt d’un polymère en solution aqueuse sur une surface métallique. La première étape consiste en la mise au point des conditions de dépôt par cataphorèse afin de définir celles qui permettent de déposer un film de polymère isolant électrique tout en présentant l’épaisseur la plus fine possible, et qui soit stable chimiquement face à l’électrolyte. Dans le même temps, le taux de réticulation permettant au polymère de s’imprégner d’électrolyte en formant un gel a été identifié. La deuxième étape se rapporte à l’évolution de la résistance ionique du polymère imbibé d’électrolyte en fonction de la durée de son imprégnation. Cette étude réalisée par spectroscopie d’impédance électrochimique, montre également l’influence du taux de réticulation et de l’épaisseur initiale du polymère sur la valeur de sa résistance ionique. Parallèlement, le taux de gonflement du polymère a été déterminé par profilométrie, ce qui, combinée à la valeur de la résistance ionique, permet finalement de calculer la conductivité ionique du gel formé par le polymère imbibé. Enfin, la dernière étape porte sur l’assemblage du film de polymère en tant que séparateur d’une pile bouton. Les performances en cyclage de cette pile ont été étudiées sur 50 cycles et comparées à celles d’une pile contenant un séparateur commercial.

Titre traduit

Development and study of the behavior of an innovating separator for lithium-ion battery with conversion negative electrode

Résumé

This thesis carried out in collaboration with EDF R&D, relates to the development of an original separator for rechargeable lithium-ion batteries involving conversion reaction, for an application in electric vehicles. The originality of this separator is that it is deposited on the negative electrode of the battery by a cataphoretic electrocoating, which allows the coating of a metal surface with a polymer in aqueous solution. The first stage is focused on the adjustment of the coating conditions in order to define those which make it possible to form an insulating polymer film while having the finest possible thickness, and which is chemically stable in the electrolyte. At the same time, the rate of reticulation allowing the polymer to become soaked with the electrolyte by forming a gel was identified. The second stage refers to the evolution of the ionic resistance of the polymer soaked with electrolyte during its impregnation. This study carried out by electrochemical impedance spectroscopy (EIS), also shows the influence of the rate of reticulation and of the initial thickness of the polymer on the value of its ionic resistance. In parallel, the thickness of the soaked polymer was determined by profilometry, which, combined with the value of ionic resistance, finally enables to calculate the ionic conductivity of the gel. Finally, the last stage is devoted to the assembly of the polymer film as a separator in a rechargeable coin cell. The cycling results of this cell were studied on 50 cycles and were compared with those of a cell containing a commercial separator.