Étude du silicium et du germanium sous forme de couche mince en tant qu’électrode négative de (micro)accumulateur lithium-ion

Study of silicon (and germanium) thin films as negative electrode for lithium-ion (micro)battery

• Auteur / Autrice : Michel Ulldemolins
• Direction : Brigitte Pecquenard, Frédéric Le Cras
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physico-Chimie de la Matière Condensée
• Date : Soutenance le 10/12/2013
• Etablissement(s) : Bordeaux 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences chimiques (Talence, Gironde ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de chimie de la matière condensée de Bordeaux (Pessac) - Institut de Chimie de la Matière Condensée de Bordeaux / ICMCB
• Jury : Président / Présidente : Mario Maglione
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Patrice Simon, Cécile Tessier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laure Monconduit, Saïd Sadki

Mots clés

Mots clés contrôlés

Silicium

Électrolytes

Batteries lithium-ion

Mots clés libres

Accumulateur

Lithium-ion

Silicium

Électrolyte

SEI

Effet mémoire

Battery

Lithium-ion

Silicon

Electrolyte

SEI

Memory effect

Résumé

Le silicium se présente comme un bon candidat d’électrode négative pour améliorer la densité d’énergie des accumulateurs Li-ion ou rendre les microaccumulateurs compatibles avec le procédé de brasure à refusion qui nécessite un recuit à 260 °C. En effet, il présente une forte capacité spécifique (3759 mAh.g-1) et sa température de fusion est élevée (1410°C). Néanmoins, de fortes variations volumiques se produisent lors du processus de lithiation/délithiation pouvant atteindre 280 %, ce qui constitue un frein majeur à son développement. Ces travaux de thèse se focalisent sur l’étude approfondie du comportement électrochimique du silicium préparé sous forme de couche mince par pulvérisation cathodique. Cette nanostructuration limite la décrépitation de la matière active, et évite l’utilisation de charges et de liants. Ainsi, elle permet d’étudier plus finement le comportement intrinsèque du matériau et révèle des phénomènes en général non détectables avec les électrodes composites.

Silicon which has a theoretical capacity of 3579 mAh.g-1 and low insertion/deinsertion potentials is one of the most promising candidates to replace graphite as a negative electrode in lithium-ion batteries. Moreover, silicon could replace lithium in microbatteries to make them compatible with the solder-reflow. However, this high capacity associated with a dense material leads to high volumetric variations which are a starting point to various issues resulting in poor cycle performances. During this thesis, electrochemical behavior of silicon is evaluated on thin films electrodes. This allows avoiding the use of binder and charges, and it leads to better cycle performances which emphasizes slow phenomenon, not yet measurable on conventional composite electrode.