Origine de la perte de capacité et effet de l'oxde de surface sur les performances électrochimiques d'électrodes à base de silicium pour accumulateurs Li-ion

Understanding irreversible capacity and effect of oxide surface layer on the electrochemical performance of Si-based electrode for Li-Ion batteries

• Auteur / Autrice : Nathalie Delpuech
• Direction : Dominique Guyomard, Bernard Lestriez, Nicolas Dupré
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de matériaux, physico-chimie du solide
• Date : Soutenance en 2014
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matériaux, Matières, Molécules en Pays de la Loire (3MPL) (Le Mans ; 2008-2021)
• Jury : Président / Présidente : Guy Ouvrard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Clare P. Grey
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Rémi Dedryvère, Mathieu Morcrette

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électrochimie

Spectroscopie infrarouge

Résonance magnétique nucléaire

Silicium

Batteries lithium-ion

Résumé

Le silicium en tant que matériau pour électrode négative pour une application dans les accumulateurs lithium-ion semble être très prometteur notamment grâce à sa forte densité d'énergie (3572 mAh. G-1). Cependant encore aujourd'hui, les électrodes à base de silicium subissent une importante perte de capacité et ont une faible durée de vie. Comprendre les mécanismes de dégradation de ces électrodes est donc essentiel pour résoudre le problème du faible rendement coulombique et intégrer ces électrodes dans des cellules commerciales. Dans cette étude, des. Analyses RMN ont montré que la dégradation du sel de lithium ne peut pas expliquer l'augmentation de la capacité irréversible cumulée et que la majeure partie du lithium perdu n'est pas détectée dans les alliages Li. Si. De plus, la concentration de lithium dans la SEI n'est pas significative et représente moins de 1 O % de la consommation totale d'électrons. Enfin la dégradation des solvants d "électrolyte a pu être mis en évidence. Une deuxième partie de l'étude a montré des différences significatives de la durée de vie (150 à 700 cycles) des électrodes à base de deux siliciums nanométriques. Pour comprendre ce phénomène, l'étude systématique de la nature et de l'épaisseur de la couche d'oxyde a été rapportée. L'amélioration de la durée de vie et du rendement coulombique est corrélée à la formation d'une liaison forte (ester) entre ces silanols et les groupes carboxyles de la CMC augmentant la tenue mécanique de l'électrode au cours du cyclage et donc la durée de vie des électrodes

Silicon based electrodes are much more attractive anode materials for lithium-ion batteries due to a very high gravimetric energy density (3572 mAh. G-1). However a large capacity fading and poor cycle life are observed. Understanding the failure mechanism of silicon electrodes is essential for solving the problem of low coulombic efficiency and to further implement this energetic material in commercial cells. In this study, MAS NMR studies demonstrate that the degradation of lithium salt cannot explain increase of the cumulative irreversible capacity and the major part of the lithium lost during the charge of batteries is not trapped in Li. Si. Moreover, the concentration of lithium in the SEI is not significant and represents less than 10% of the total electron consumption after 80 cycles. Finally, the degradation of the solvent is demonstrated. In a second part of this study, different cycle Si-based composite electrodes is observed. To understand this phenomenon a systematic study of the chemical nature and thickness of the oxide layer is reported. The improvement of cycle life and coulombic efficiency is correlated to the bonding between CMC and Si particles through an esterification reaction between hydroxyl on Si surface (SiOH) and carboxyl of CMC. The bonding sustains the volume expansion and increase the cycle life