Propriétés électrochimiques des matériaux cathodiques à base de V2O5 pour les batteries Li/Na-ion et les batteries rechargeables aqueuses au zinc

Electrochemical properties of vanadium oxide-based cathode materials for Li/Na-ion batteries and aqueous rechargeable zinc batteries

• Auteur / Autrice : Dauren Batyrbekuly
• Direction : Jean-Pierre Pereira-Ramos, Barbara Laik
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des Matériaux
• Date : Soutenance le 15/12/2021
• Etablissement(s) : Paris 12 en cotutelle avec Nazarbayev University
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ICMPE - Institut de Chimie et des Matériaux Paris Est - Institut de Chimie et des Matériaux Paris-Est (Thiais, Val-de-Marne)
• Jury : Président / Présidente : Christine Cachet-Vivier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Pierre Pereira-Ramos, Thierry Djenizian, Sylvain Franger, Vanessa Pereira Pimenta, Rita Baddour-Hadjean, Zhumabay Bakenov
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thierry Djenizian, Sylvain Franger

Mots clés

Mots clés contrôlés

Propriétés physico-chimiques

Batteries lithium-ion

Mots clés libres

Chimie du solide

Batteries rechargeables

Milieu aqueux

Relations structures-Propriétés

Stockage électrochimique de l'énergie

Insertion

Electrochimie

Solid state electrochemistry

Rechargeable batteries

Aqueous electrolytes

Structure-Electrochemical properties relationships

Electrochemical energy storage

Insertion

Résumé

Après un aperçu concis des principaux matériaux d'électrodes positives pour batteries Li- et Na-ion développés dans le chapitre 1, nous proposons une technique de solution à basse température pour préparer du γ'-V2O5 de taille réduite afin d'optimiser ses propriétés cathodiques en Li-ion et Batteries Na-ion (Chapitre 2). Le polymorphe est obtenu à partir d'un précurseur α-V2O5 fait maison produit par un procédé de polyol, conduisant facilement à une poudre nanométrique fine et homogène. Outre la preuve d'une amélioration des propriétés électrochimiques du polyol γ'-V2O5 vis-à-vis du Li et du Na, une étude détaillée par diffraction des rayons X et spectroscopie Raman nous permet de décrire la réponse structurelle du matériau hôte.Au chapitre 3 nous avons décidé de synthétiser chimiquement le bronze γ-NaV2O5 afin d'avoir un matériau actif positif directement utilisable dans les batteries Na-ion avec l'espoir de conserver les performances attractives connues pour l'oxyde γ'-V2O5. De plus, nous avons étendu notre étude à l'étude de K0.5V2O5 (nommé KVO) en tant que candidat potentiel pour le matériau cathodique des SIB. La technologie lithium-ion est un concurrent sérieux pour les applications de réseaux intelligents et les systèmes stationnaires à grande échelle connectés aux centrales électriques renouvelables. Cependant, la sécurité des LIB est l'un des problèmes majeurs qui n'est pas encore résolu en raison du risque élevé d'inflammabilité des électrolytes organiques et de l'emballement thermique causé par la réactivité des matériaux d'électrode avec les électrolytes. De plus, le coût des LIB est élevé. L'adoption de la technologie LIBs dans un système aqueux pourrait résoudre les problèmes mentionnés et les inconvénients, en fournissant un système de stockage d'énergie haute performance, peu coûteux et très sûr. Par conséquent, les batteries rechargeables aqueuses à ions alcalins (Li+, Na+, Zn2+) sont des alternatives prometteuses pour les applications à grande échelle, qui pourraient résoudre plusieurs défis de LIB en termes de sécurité, de conditions de fabrication à faible coût, d'amélioration considérable de la conductivité de l'électrolyte, d'amélioration de la puissance , le respect de l'environnement et les conditions de recyclage. En particulier, les batteries zinc-ion sont désormais considérées comme les candidats les plus prometteurs pour le stockage d'énergie sur le réseau. L'oxyde de vanadium (V2O5) a été largement étudié pour les batteries aqueuses d'ions zinc, mais selon la littérature, seuls quelques articles peuvent être trouvés concernant le système électrolytique hybride Zn2+/Li+ (eau dans les sels). Les résultats prometteurs rapportés pour LiFePO4 par le professeur Z. Bakenov du National Lab de l'Université d'Astana, nous ont incités à étudier le système V2O5 dans les mêmes conditions. De plus, peu d'attention a été accordée au comportement structurel des matériaux cathodiques. Par conséquent, dans le chapitre 4, notre objectif était d'examiner en profondeur les propriétés électrochimiques des polymorphes V2O5 (α et γ') dans l'électrolyte hybride aqueux (Li+, Zn2+) en se concentrant sur les mécanismes de réaction, l'évolution structurelle lors de la décharge/charge et la comparaison avec le résultats obtenus en électrolyte organique (non aqueux).

After a concise overview of the main positive electrode materials for Li- and Na-ion batteriesdeveloped in chapter 1, we propose a low temperature solution technique for preparing reduced sized γ'-V2O5 in order to optimize its cathode properties in Li-ion and Na-ion batteries (Chapter 2). The polymorph is obtained from a homemade α-V2O5 precursor produced through a polyol process, leading easily to an homogeneous pure fine nanosized powder. In addition to the evidence for improved electrochemical properties with the polyol γ'-V2O5 towards Li and Na, a detailed study by X-ray diffraction and Raman spectroscopy allows us to describe the structural response of the host material.In Chapter 3 we decided to chemically synthesized the γ-NaV2O5 bronze in order to have a positive active material directly usable in Na-ion batteries with the hope of keeping the attractive performances known for the γ'-V2O5 oxide. Moreover, we extended our study to the investigation of K0.5V2O5 (named KVO) as a potential candidate for cathode material of SIBs.Lithium-ion technology is a serious contender for smart grids applications and large-scale stationary systems connected to renewable power plants. However, safety of LIBs is one of the major issues which is not solved as yet due to the high risk of flammability of organic electrolytes and the thermal runaway caused by the reactivity of electrode materials with electrolytes. In addition, the cost of LIBs is high. Adopting LIBs technology to aqueous system could solve the mentioned and disadvantages, providing a high performance inexpensive and very safe energy storage system. Therefore, aqueous rechargeable alkali-metal ion (Li+, Na+, Zn2+) batteries are promising alternatives for large scale applications, which could solve several challenges of LIB in terms of safety, low-cost manufacturing conditions, huge improvement of electrolyte conductivity, power improvement, environmentally friendliness, and recycling conditions. In particular, Zinc ion batteries are considered now as the most promising candidates for grid energy storage.Vanadium oxide (V2O5) material was widely investigated for aqueous zinc ion batteries, however according to literature, only few papers can be found related to the Zn2+/Li+ hybrid electrolyte system (water in salts). Promising results reported for LiFePO4 by Prof. Z. Bakenov from National Lab in Astana University, prompted us to investigate the V2O5 system in same conditions. In addition, little attention has been paid to the structural behavior of cathode materials. Therefore, in Chapter 4, our goal was to deeply examine the electrochemical properties of V2O5 polymorphs (α and γ' phases) in aqueous hybrid electrolyte (Li+, Zn2+) focusing on reaction mechanisms, structural evolution upon discharge/charge, and comparison with the obtained results in organic (non-aqueous) electrolyte.