Comportement électrochimique de matériaux à haut potentiel : LiCoPO4 et LiNi1/3Mn3/2O4, en électrodes couches minces ou composites.

Electrochemical behavior of high potential materials : LiCoPO4 and LiNi1/3Mn3/2O4 as thin films or composites electrodes

• Auteur / Autrice : Philippe Dumaz
• Direction : Renaud Bouchet, Cécile Rossignol
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie
• Date : Soutenance le 07/12/2017
• 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-....)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Poizot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Charles Delacourt, Arnaud Mantoux
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sylvain Franger, Claire Villevieille

Mots clés

Mots clés contrôlés

Décharges électriques

Conservation de l'énergie

Mots clés libres

Batteries lithium-Ion

Ald

Haut potentiel

Lnmo

LiCoPO4

Esd

Lithium-Ion battery

Ald

High potential

Lnmo

LiCoPO4

Esd

Résumé

L'utilisation de sources naturelles illimitées telles que l'énergie solaire, éolienne ou hydraulique est en plein essor. Cependant leurs productions énergétiques sont fortement liées aux conditions climatiques et sont donc intermittentes. Ces systèmes nécessitent donc d'être associés à du stockage d'énergie, afin de lisser la production avant injection sur le réseau. Pour toutes ces raisons, les batteries Li-ion doivent intégrer de nouveaux matériaux d'électrode permettant d'obtenir une grande puissance et une haute densité d'énergie, tout en conservant une durée de vie élevée et une sécurité d'utilisation.Dans ce contexte, notre travail a consisté à préparer des matériaux à hauts potentiels, le LiCoPO4 (LCP) et le LiNi0.5Mn1.5O4 (LNMO). Ces derniers s'inscrivent parfaitement dans le contexte de développement de matériaux à haute densité d'énergie puisqu'ils possèdent des potentiels d'oxydation de 4,8 et 4,7 V vs Li +/Li et des densités d'énergies massiques théoriques de 802 et 691 Wh.kg-1 par rapport au lithium, respectivement.Ces matériaux ont d'abord été synthétisés sous forme de couches minces afin d'obtenir des électrodes modèles pour étudier de manière fondamentale les propriétés de transport des matériaux et ses interactions en présence d'un électrolyte liquide notamment les phénomènes à l'interface électrode/électrolyte. La compréhension des matériaux acquise au cours de ce premier axe a permis de transposer et d'adapter ces techniques de caractérisation aux systèmes plus complexes que sont les électrodes composites.Les propriétés de ces matériaux vis-à-vis de l'insertion et la désinsertion du lithium ont ensuite été testées et caractérisées en cellules électrochimiques. De nombreux paramètres cinétiques et thermodynamiques ont été extrait grâce à plusieurs techniques électrochimiques telles que la titration intermittente (GITT), la spectroscopie d'impédance (PEIS et GEIS), le cyclage galvano-statique et les tests de puissance. Nous proposons d'ailleurs une méthode simple, à partir de ces tests de puissance, pour déterminer le coefficient de diffusion du lithium. Enfin, nous tentons de répondre à plusieurs questions qui demeurent en suspens concernant la cyclabilité et la perte de capacité de ces matériaux à haut potentiel au cours de cyclage long et nous proposons une technique très simple permettant d'améliorer de façon étonnamment efficace la cyclabilité d'électrodes composites de LNMO.

The use of unlimited natural sources such as solar, wind or hydraulic power is booming. However, their energy production is dependant of climatic conditions and is therefore intermittent. These systems are usually associated with energy storage, in order to smooth the production before injection on the network. For all these reasons, Li-ion batteries need to incorporate new electrode materials to achieve high power and high energy density while maintaining a long life and safe use.In this context, our work consisted in preparing high potential materials, LiCoPO4 (LCP) and LiNi0.5Mn1.5O4 (LNMO). The latter are perfectly integered in the context of development of materials with high energy density since they have an oxidation potential of 4.8 and 4.7 V vs Li + / Li and theoretical mass energy densities of 802 and 691 Wh.kg-1 over lithium, respectively.These materials were first synthesized in the form of thin thin films to obtain model electrodes to study the kinetics and thermodynamics properties of materials transport and interactions with the presence of a liquid electrolyte including phenomena at the electrode interface / electrolyte. The understanding acquired during this first axis allowed us to transpose and adapt these characterization techniques to more complex systems : composite electrodes.The properties of these materials with respect to lithium insertion and desinsertion have been tested and characterized in electrochemicals cells. Kinetic and thermodynamic parameters have been extracted using several electrochemical techniques such as intermittent titration (GITT), impedance spectroscopy (PEIS and GEIS), galvano-static cycling and power tests. We propose a simple method, based on power tests, to determine the diffusion coefficient of lithium. Finally, we attempt to answer several questions that remain unsolved about the capacity loss of high potential materials during long cycling, and we propose a very simple technique for improving the cycling of composites electrodes of LNMO.