Formulation d’électrode à base de Si et LiNi0. 5Mn1. 5O4 pour batteries lithium ion appliquées à la traction électrique

• Auteur / Autrice : Binh Phuong Nhan Nguyen
• Direction : Bernard Lestriez, Manuella Cerbelaud, Dominique Guyomard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux, Physicochimie et électrochimie
• 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)
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Nantes. Faculté des sciences et des techniques
• Jury : Président / Présidente : Guy Ouvrard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bernard Lestriez, Manuella Cerbelaud, Dominique Guyomard, Guy Ouvrard, Séverine Jouanneau Si Larbi, Laure Monconduit
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Séverine Jouanneau Si Larbi, Laure Monconduit

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électrodes

Électrochimie

Batteries lithium-ion

Mots clés libres

Formulation

Silicium

LiNi0. 5Mn1. 5O4

Résumé

La batterie lithium-ion est l’une des technologies de stockage de l’énergie les plus prometteuses pour permettre le développement des transports propres. Dans ce but il est cependant nécessaire de rechercher des matériaux d’électrode de batterie lithium-ion adaptés et qui satisfont différentes conditions de : (i) fortes capacités spécifique (Ah. Kg-1) et volumétrique (Ah. L-1); (ii) grande différence de potentiel entre les deux électrodes ; (iii) haute sécurité et respect de l’environnement. Ainsi, une transition du graphite au silicium de forte capacité et des composés à base de cobalt ou de fer au matériau à haut potentiel LiNi0. 5Mn1. 5O4 (LNMO) est examinée ici. Dans cette étude, nous avons identifié des formulations d’électrodes optimisées, premièrement pour un Si nanométrique avec de la carboxymethyl cellulose (CMC), de l’acide poly(acrylique-co-maléique) et du graphene à la négative ; deuxièmement pour un LNMO micrométrique avec du polyfluorure de vinylidène (PVdF) et des nanofibres de carbone (CNF) à la positive. Ces formulations possèdent de bonnes performances électrochimiques et ont des propriétés appropriées à leur mise en oeuvre sur des machines d’enduction industrielles. Pour atteindre ces buts, nous avons fait des investigations sur les encres d’électrode (comportement rhéologique, granulométrie, potentiel zéta, tests de sédimentation) et des caractérisations sur les électrodes (analyse de leur texture par MEBEDX, porosité, comportements mécanique, électrique, et électrochimique).

Rechargeable lithium-ion battery is one of the most promising energy storage technologies to enable a various range of clean transportations. To meet requirements of these automotive applications, it is necessary to find suitable electrode materials which satisfy several conditions: (i) high specific capacity (Ah. Kg-1) and volumetric capacity (Ah. L-1); (ii) high difference of potential between positive and negative electrodes; (iii) high safety and environmental standards. This way, a shift from graphite to much higher capacity siliconbased and from cobalt or iron-based to high voltage LiNi0. 5Mn1. 5O4 (LNMO) is examined here. This study successfully defined the optimized electrode formulations first with nanometric Si coupled with carboxymethyl cellulose (CMC), poly (acrylic-co-maleic) acid (PAMA) and graphene at the negative side; then for micrometric LNMO material coupled with polyvinylidene fluorine (PVdF) and carbon nanofibres (CNF) at the positive side. These formulations possess good electrochemical performance and satisfactory properties for processing on industrial coating machine. In order to achieve this purpose, characterization of electrode slurries (e. G. , rheological behaviour, particle size distribution, zeta potential measurements, settling tests) were investigated together with elaboration (e. G. , tape casting, calendaring, drying) and characterization of the electrodes (e. G. , texture analysis through SEM, EDX observations, measurements of porosity, mechanical, electrical and electrochemical behaviours).