Accumulateur lithium/soufre : développement et compréhension des mécanismes électrochimiques

Lithium/Sulfur batteries : development and understanding of the working mechanisms

• Auteur / Autrice : Sylwia Walus
• Direction : Fannie Alloin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, mécanique, génie civil, électrochimie
• Date : Soutenance le 15/01/2015
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électrochimie et de physicochimie des matériaux et des interfaces (Grenoble ; 1995-....) - Laboratoire d'innovation pour les technologies des énergies nouvelles et les nanomatériaux (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Marie Tarascon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fannie Alloin, Jean-Frédéric Martin, Céline Barchasz
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Lorenzo Stievano, Robert Dominko

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie d'impédance

Électrochimie

Accumulateurs

Mots clés libres

Accumulateurs lithium/soufre

Li/S

Mécanismes électrochimiques

Β-Soufre

In situ et operando DRX

Spectroscopie d’impédance électrochimique (SIE)

Non-tissé de fibres de carbone

Électrode de Li2S

Lithium/sulfur batterie

Li/S

Working mechanism

Β-Sulfur

In situ and operando XRD

Electrochemical impedance spectroscopy (EIS)

Non-woven carbon

Li2S positive electrode

Résumé

Dans ce travail de thèse, deux objectifs ont été fixés. Le premier a été de mieux comprendre le mécanisme très complexe qui est en jeu dans les accumulateurs Li/S. Pour cela, les modifications structurales du matériau actif ont été observées in operando et ont permis de valider un modèle clair concernant les réactions de transformations de phases qui contrôlent le lithium/soufre. La cristallisation d’une forme métastable du soufre (bêta-S8 monoclinique) en fin de recharge a ainsi été observée pour la première fois lors d’expériences au synchrotron de l’ESRF. La technique d’impédance électrochimique a également donné d’importantes informations sur les cinétiques deces réactions. Le deuxième objectif visait l’amélioration du système Li/S par l’optimisation des électrodes de soufre afin d’augmenter leurs performances mais également par la fabrication d’électrodes de Li2S efficaces permettant la transition vers le Li-ion/S, plus sécuritaire.

In this work two main aspects has been conducted in parallel. The first one was focused on betterunderstanding the very complex working mechanism of Li/S cell. Structural changes evolution ofactive material upon real time battery operation was explored, giving a clear answer on thesolid/liquid reaction evolution, which govern the electrochemistry of Li/S technology. Formationof another allotropic form of sulfur (monoclinic beta-S8) during recharging the battery have beenreported for the first time ever in Li/S community. Impedance technique applied to such systemprovided additional information concerning the kinetics of these reactions. Apart from that,another aspect targeted rather on improvements of already existing solutions (making better sulfurelectrodes, with significantly improved specific capacities) as well as development the alternativesolutions, i.e. fabrication and test of new Li2S-based positive electrodes, which could be apromising transition from classical Li/S cells into safer Li-ion/S batteries.