Etude d’interfaces électrode/électrolyte dans des batteries Li-ion par spectroscopie photoélectronique à différentes profondeurs

Insights in Li-ion battery interfaces through photoelectron spectroscopy depth profiling

• Auteur / Autrice : Bertrand Philippe
• Direction : Danielle Gonbeau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie-Physique
• Date : Soutenance le 24/05/2013
• Etablissement(s) : Pau en cotutelle avec Uppsala universitet
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences exactes et leurs applications (Pau, Pyrénées Atlantiques ; 1995-)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Synchrotrons

Chimie des surfaces

Silicium

Anodes

Batteries lithium-ion

Mots clés libres

Batteries Li-ion

Électrodes négatives

Silicium

MnSn2

SEI

XPS

PES

Li-ion batteries

Negative electrodes

Silicon

MnSn2

SEI

XPS

PES

Résumé

Les éléments capables de former un alliage avec le lithium, tels que le silicium ou l’étain constituent des composés très prometteurs en tant que matériaux d’électrodes négatives pour la prochaine génération d’accumulateurs Li-ion. Un point important réside dans la compréhension des phénomènes se produisant aux interfaces électrode/électrolyte de ces nouveaux matériaux, la stabilité de la couche de passivation (SEI) se formant lors du cyclage en surface des électrodes constituant un élément primordial vis-à-vis des performances de la batterie. A côté des processus de lithiation et delithiation du matériau actif au cours du cyclage, il est important de mieux connaître la nature, la formation et l’évolution de la SEI de même que l’évolution des oxydes natifs de surface et la réactivité chimique de l’électrode au contact de l’électrolyte. Dans ce travail de thèse, pour mieux connaître et comprendre ces différents processus, nous avons développé une approche d'analyse non destructive à différentes profondeurs de la surface de matériaux d’électrodes. Les analyses ont été réalisées par spectroscopie photoélectronique à rayonnement X (XPS), la modification d’énergie du rayonnement incident permettant une variation de la profondeur d'analyse. Cette méthodologie a été utilisée pour sonder les phénomènes aux interfaces d’électrodes à base de silicium et d’étain. Les mécanismes se produisant lors du premier cycle électrochimique puis au cours d’un long cyclage d’électrodes à base de silicium cyclées avec le sel classique LiPF6 puis avec un nouveau sel très prometteur, LiFSI ont été analysés et discutés. L’étude a été étendue à un nouveau composé intermétallique à base d’étain: MnSn2.

Compounds forming alloys with lithium, such as silicon or tin, are promising negative electrode materials for the next generation of Li-ion batteries and an important issue is to better understand the phenomena occurring at the electrode/electrolyte interfaces of these materials. The stability of the passivation layer (SEI) is crucial for good battery performance and its nature, formation and evolution have to be investigated. It is also important to follow upon cycling alloying/dealloying processes, the evolution of surface oxides with battery cycling and the change in surface chemistry when storing electrodes in the electrolyte. The aim of this thesis is to improve the knowledge of these surface reactions through a non-destructive depth-resolved photoelectron spectroscopy analysis of the surface of new negative electrodes. A unique combination utilizing hard and soft-ray photoelectron spectroscopy allows by variation of the photon energy an analysis from the extreme surface to the bulk of the particles. This experimental approach was used to access the interfacial phase transitions at the surface of silicon or tin particles as well as the composition and thickness/covering of the SEI. Interfacial mechanisms occurring upon the first electrochemical cycle and upon long-term cycling of Si-based electrodes cycled with the classical salt LiPF6 and with a new promising salt, LiFSI were investigated as well as the interfacial reactions occurring upon the first cycle of an intermetallic compound MnSn2 were studied.