Molecular Modeling of the Solid Electrolyte Interphase in Lithium Batteries

par Mohammed Bin Jassar

Thèse de doctorat en Chimie

Sous la direction de Stephan N. Steinmann et de Carlos Nieto-Draghi.

Soutenue le 11-12-2023

à Lyon, École normale supérieure , dans le cadre de École Doctorale de Chimie (Lyon ; 2004-....) , en partenariat avec Laboratoire de chimie. Lyon (2003-….) (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Modélisation moléculaire de l'interphase électrolyte solide dans les batteries au lithium


  • Résumé

    La performance des batteries lithium-ion a tendance à se détériorer avec le temps en raison de divers changements chimiques. Cette baisse de performance est régie par une couche appelée l'interface électrolytique solide (SEI). La SEI est une couche hétérogène ultrafine de l'ordre du nanomètre qui se forme à l'interface anode/électrolyte en raison de la réduction irréversible des composants de l'électrolyte par les électrons provenant de l'anode. Alors que la formation initiale de la SEI agit comme une couche passive pour protéger l'électrolyte contre une réduction continue, stabilisant ainsi la batterie, la SEI subit divers changements chimiques et poursuit de croître lentement avec le temps, consommant ainsi des électrons actifs et des espèces d'électrolyte, entraînant une perte de capacité et finalement la défaillance de la batterie. Dans cette thèse, nous éclairons la formation et la croissance de la couche SEI en utilisant des techniques de modélisation moléculaire. Étant donné que la formation et la croissance de la SEI et la perte de capacité correspondante se produisent à des échelles de temps différentes, diverses techniques de modélisation moléculaire sont appliquées pour une description atomistique : les principales voies de réaction de décomposition (initiale) sont calculées à l'aide de la DFT pour obtenir les données cinétiques et thermodynamiques, qui sont à leur tour injectées dans un modèle de Monte-Carlo cinétique pour étendre les échelles de temps et de longueur et simuler la croissance de la SEI et la perte de capacité. La structure multicouche de la SEI prédite et le comportement de perte de capacité au fil du temps concordent avec des études expérimentales et théoriques précédentes. Deuxièmement, des méthodes de structure électronique à faible coût sont étalonnées et ont été utilisées pour modéliser des réactions chimiques liées à la SEI.


  • Résumé

    The performance of lithium-ion batteries tends to deteriorate over time due to various chemical changes. This performance decline is governed by a layer called the solid electrolyte interphase (SEI). The SEI is a nanometer thin heterogeneous layer that forms at the anode/electrolyte interface due to the irreversible reduction of electrolyte components by electrons from the anode. While the initial SEI formation acts as a passive layer to protect the electrolyte from further reduction, thereby stabilizing the battery, the SEI undergoes various chemical changes and continues to grow slowly over time, accordingly consuming active electrons and electrolyte species, leading to capacity loss and eventually the death of the battery. In this thesis, we shed light on the formation and growth of the SEI layer using molecular modeling techniques. Since the formation and growth of the SEI and corresponding capacity loss take place at different timescales, various molecular modeling techniques are applied for an atomistic description: the major (initial) decomposition reaction pathways are calculated using DFT to obtain the kinetical and thermodynamical data, which in turn are injected in a kinetic Monte Carlo model, to extend the time and length scales to simulate SEI growth and capacity loss. The predicted multi-layered SEI structure and capacity loss behavior over time agrees with previous experimental and theoretical studies. Secondly, low-cost electron structure methods are benchmarked and have been used to model additional SEI related chemical reactions.


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