Caractérisation operando des accumulateurs Li/S par tomographie d’absorption et diffraction des rayons X, vers une meilleure compréhension des mécanismes électrochimiques

par Guillaume Tonin

Thèse de doctorat en Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie

Sous la direction de Fannie Alloin.

Soutenue le 05-06-2019

à l'Université Grenoble Alpes (ComUE) , dans le cadre de École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble) , en partenariat avec Laboratoire d'innovation pour les technologies des énergies nouvelles et les nanomatériaux (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était Renaud Bouchet.

Le jury était composé de Claire Villevieille.

Les rapporteurs étaient Mathieu Morcrette, Lorenzo Stievano.

mots clés

• Tomographie
• Lithium
• Caractérisation
• Batterie
• Soufre
• Tomographie
• Lithium
• Batteries
• Soufre
• Diffraction

Résumé

L’objectif principal de la thèse était d’identifier les processus limitants et les phénomènes de dégradation intervenant lors du cyclage d’un accumulateur Li/S, et d’expliciter l’évolution des performances électrochimiques au cours du temps. Pour ce faire, une cellule électrochimique a été développée permettant de réaliser des caractérisations à l’ESRF par diffraction et absorption des rayons X en mode operando. Ces deux techniques complémentaires ont permis de mettre en évidence des changements morphologiques importants et des cinétiques de réactions limitées par le transport de matière au sein de la structure 3D de l’électrode positive de soufre. L’oxydation/réduction de l’électrode négative de lithium a également été caractérisée, permettant de mettre en évidence une évolution hétérogène de l’interface lithium/électrolyte, fonction de la densité de courant, induisant une diminution des performances électrochimiques en cyclage.

mots clés

• Lithium
• Characterization
• Battery
• Sulfur
• Tomography

Titre traduit

Li/S accumulators : Electrochemical mechanism investigation using operando analysis by absorption and X-Ray diffraction tomography

Résumé

The main objective was to identify the degradations phenomena and the limiting processes occurring while cycling Li/S accumulators to therefore put in relation the electrode morphology, the cell design, the electrochemical performances and the degradations phenomena. A new design of operando cell has been developed to be suitable with ESRF experiments. Operando Absorption and X-ray Diffraction tomography technics were performed. Thanks to both technics, the morphological changes and transport limitation kinetics along the 3D positive electrode have been evidenced. In addition, the lithium electrode/electrolyte interface has been characterized and heterogeneous stripping/plating has been evidenced, leading to low electrochemical performances while cycling.