Développement de nouveaux matériaux carbonés hybrides pour des applications dans les batteries Li+ et Na+ ion

Development of new carbon hybrid materials for Li+ and Na+ ion batteries applications

• Auteur / Autrice : Cristina Pana
• Direction : Camelia Matei Ghimbeu, Julien Parmentier, Cathie Vix-Guterl, Laure Monconduit
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 09/02/2018
• Etablissement(s) : Mulhouse
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie-physique (Strasbourg ; 1994-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Science des Matériaux de Mulhouse

Mots clés

Mots clés contrôlés

Batteries

Nanoparticules

Carbone -- Composés

Mots clés libres

Carbone

Nanoparticules

Synthèse de matériaux

Batteries

Respectueux de la nature

Matériaux hybrides

Carbon

Nanoparticles

Material synthesis

Batteries

Eco-friendly

Hybrid materials

Résumé

Au cours des dernières années, de nombreuses recherches se sont concentrées sur les batteries afin de satisfaire leur demande croissante pour de nombreuses applications. Les matériaux hybrides métal/carbone ont fait l'objet d'une grande attention en tant qu'anodes pour les batteries ioniques Li et Na en raison de leur capacité plus élevée par rapport aux anodes graphite/carbone dur. Cependant, l'expansion de la taille des NPs métalliques et la forte capacité irréversible pendant le 1ercycle sont les principaux inconvénients à surmonter et représentent l'objectif principal de cette thèse. Trois types d'hybrides ont été étudiés (C@Sn et C@SiO2pour les LIBs, et C@Sb pour les NIBs) et des voies de synthèse originales ont été développées qui ont permis d'obtenir des matériaux avec des NPs petites et homogènes distribuées dans le réseau de carbone. Plusieurs paramètres expérimentaux ont été optimisés, conduisant à une vaste palette de matériaux avec des porosités, des structures et des granulométries différentes. La température et la charge de particules se sont avérées être les principaux paramètres affectant la porosité et la taille des particules ainsi que les performances électrochimiques. L'augmentation de la température et de la charge de NPs ont conduit à une porosité plus faible qui a permis de diminuer la capacité irréversible et d'améliorer la capacité réversible. En même temps, le cycle à long terme a été affecté négativement en raison de la formation de particules non confinées et agglomérées. Un compromis entre la charge de carbone/porosité/structure a été déterminé pour chaque système et les mécanismes électrochimiques traités sur la base d'analyses post-mortem.

During the last years a lot of research has been focused on batteries to satisfy their increasing demand for a broad application. Metal-based/carbon hybrid materials received great attention as anodes for Li and Na ion batteries due to their higher capacity compared to graphite/hard carbons anodes. However, the metal particle size expansion and the high irreversible capacity during cycling are the main inconvenients to be overcome and represent the main goal of this thesis. Three type of hybrids were studied(C@Sn and C@SiO2for LIBs, and C@Sb for NIBs) and original synthesis pathways were developed which allowed to obtain materials with small and homogeneous distributed particles in the carbon network. Several experimental parameters were tuned leading to a large pallet of materials exhibiting different porosities, structures and particle size/distribution. The temperature and the particle loading were found to be the main parameters affecting the porosity and the particle size and further the electrochemical performances. The increase of both temperature and particle loading lead to smaller porosity which successfully allowed to diminish the irreversible capacity and to improve the reversible capacity. In the same time, the long-term cycling was negatively affected due to the formation of un-confined and agglomerated particles. The extent of particle agglomeration and consequently of capacity fading was found to depend on the type of metal and synthesis route. A compromise between the carbon loading/porosity/structure was determined for each system and the electrochemical mechanisms addressed based on post-mortem analyses.