Etude de l'insertion du lithium dans des électrodes à base de silicium. Apports de l'analyse de surface (XPS, AES, ToF-SIMS)

Investigation of lithium insertion mechanisms in silicon based anodes by using surface analysis techniques (XPS, AES, ToF-SIMS)

• Auteur / Autrice : Arnaud Bordes
• Direction : Philippe Marcus
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie physique. Électrochimie
• Date : Soutenance le 17/11/2016
• Etablissement(s) : Paris 6
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Physico-Chimie des Surfaces (PCS)
• Jury : Président / Présidente : Didier Devilliers
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Éric De Vito, Didier Léonard, Fannie Alloin, Cédric Haon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laure Monconduit, Hervé Martinez

Mots clés

Mots clés contrôlés

Anodes

Silicium

Batteries lithium-ion

Mots clés libres

Accumulateurs Li-Ion

Silicium

Anode

Mécanismes de dégradation

ToF-SIMS

Xps

Li-ion batteries

Lithiation mechanics

Silicon

Résumé

Le silicium est un matériau étudié depuis plusieurs années comme une sérieuse alternative au graphite dans les batteries Li-ion. Ce travail de thèse vise à développer des approches alternatives et complémentaires à celles déjà existantes afin de mieux comprendre les mécanismes de lithiation et de dégradation. L'analyse croisée entre plusieurs techniques, principalement FIB-ToF-SIMS, Auger, XPS et FIB-MEB, point central de l'étude, nécessite la mise en place de protocoles spécifiques prenant en compte la forte réactivité des échantillons lithiés. En premier lieu, un couplage entre ToF-SIMS et XPS sur des couches minces de silicium, permet de mettre en évidence la présence d'une phase riche en lithium ségrégée à l'interface entre la couche de matériau actif et le collecteur de courant en cuivre. Un mécanisme particulier de lithiation du silicium, basé sur l'existence de chemins de diffusion rapide pour le lithium, est suggéré. La réalisation de coupes FIB effectuées in situ dans la chambre d'analyse du ToF-SIMS sur des électrodes à base de poudre micrométrique de Si permet ensuite de proposer un mécanisme de lithiation analogue à celui mis en évidence précédemment. En outre, la présence de grains déconnectés du réseau percolant de l'électrode au cours du cyclage et piégeant le lithium est mise en évidence et contribue à la défaillance rapide de la batterie. Enfin, la méthodologie développée est appliquée à l'étude d'électrodes composées de Si nanométrique et de composite Si/C. Elle participe à l'établissement d'un modèle de croissance de SEI à la surface de grains de silicium nanométriques et permet d'identifier les raisons de la défaillance de ces électrodes.

Silicon is a serious option to replace graphite in anodes for Li-ion batteries since it offers a specific capacity almost ten times higher. However, silicon anodes suffer from a drastic capacity fading, making it unusable after a few cycles. The work presented here aims at the development of new alternative and complementary approaches to those currently used, in order to better understand lithiation and degradation mechanisms. These methods are based on cross-analysis between several surface characterizations techniques, including FIB-ToF-SIMS, AES, XPS and FIB-MEB, which require specific procedures to deal with the extreme sensitivity of lithiated materials. Coupling XPS and ToF-SIMS on silicon thin films revealed the presence of a Li-rich phase segregated at the interface between silicon and Cu current collector. A mechanism based on fast diffusion paths for lithium is suggested. In situ FIB milling, performed in the analysis chamber of the ToF-SIMS on anodes using micrometer-sized silicon particles, revealed a similar mechanism involving fast diffusion paths for lithium. Additional TEM observations suggest that, in the case of micrometer-sized particles, these paths result from sub-grain boundaries. Additionally, the presence of Li trapped in Si particles which are disconnected from the conductive grid along cycling is shown, contributing to the poor battery lifespan. Finally, the developed method has been applied to electrodes based on nanometer-sized Si particles and Si/C composite. Despite of the small size of the involved particles, it is possible to get information about SEI growth on the surface of nano-sized silicon particles and to identify causes of failure.