Propriétés électrochimiques et réponse structurale du polymorphe gamma'-V2O5 vis-à-vis de l'insertion du lithium et du sodium

Electrochemical properties and structural response of the gamma'-V2O5 polymorph toward lithium and sodium insertion

• Auteur / Autrice : Marianne Safrany Renard
• Direction : Rita Baddour-Hadjean
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des Matériaux
• Date : Soutenance le 14/12/2017
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Chimie et des Matériaux Paris-Est (Thiais, Val-de-Marne) - Institut de Chimie et des Matériaux Paris-Est / ICMPE
• Jury : Président / Présidente : Sylvain Franger
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Emery
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Claire Hérold, Patrick Rozier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie

Composés d'insertion

Électrochimie

Batteries lithium-ion

Mots clés libres

Electrochimie

Spectroscopie

Batteries

V2o5

Lithium

Sodium

Electrochemistry

Spectroscopy

Batteries

V2o5

Lithium

Sodium

Résumé

La question du stockage de l’énergie est actuellement au cœur de nombreuses problématiques internationales. Le développement de systèmes de stockage tels que les batteries lithium ion (LIB) et sodium ion (SIB) fait donc l’objet aujourd’hui de nombreuses recherches. Dans ce contexte, les matériaux lamellaires présentant un espace inter-feuillet permettant une insertion d’espèces cationiques semblent idéals dans le cadre d’une utilisation comme matériau d’électrode positive pour ces systèmes LIB et SIB. Parmi ces structures le pentoxyde de vanadium, sous sa forme alpha est un composé modèle présentant de nombreux intérêts pour les batteries au lithium. Ce matériau présente en outre de nombreux polymorphes stables autorisant un large champ d’étude de ce composé.Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés au polymorphe gamma’-V2O5 présentant une structure lamellaire à très large inter-feuillet laissant présager une insertion d’espèces cationiques facilitée et donc des performances électrochimiques accrues. Le but de cette thèse a consisté à étudier les propriétés électrochimiques et la réponse structurale de ce composé vis-à-vis de l’insertion des ions lithium et sodium.La première partie de cette thèse propose une analyse bibliographique de l’état de l’art sur les accumulateurs lithium-ion et sodium.Dans une seconde partie les données concernant l’insertion du lithium et du sodium dans le composé alpha-V2O5 sont présentées. Les propriétés électrochimiques et structurales de ce matériau d’insertion permettront de mettre en avant l’intérêt de l’utilisation du polymorphe gamma’-V2O5 comme matériau d’électrode positive pour les systèmes LIB et SIB.Une troisième partie de ce mémoire présente la synthèse et la caractérisation du polymorphe gamma’-V2O5. L’étude complète de ce système est présentée dans le cas de l’insertion du lithium avec une étude des performances électrochimiques, une étude cinétique de la réaction d’insertion réalisée par spectroscopie d’impédance complexe et la description des changements structuraux étudiés pas diffraction des rayons X et par spectroscopie Raman.Dans une quatrième partie, l’insertion électrochimique du sodium dans le polymorphe gamma’-V2O5 est étudiée en suivant la même démarche. Le mécanisme structural impliqué dans le fonctionnement électrochimique est résolu. La formation d’un bronze de vanadium au sodium jamais encore décrit, gamma-Na0,97V2O5, est révélée et la détermination de sa structure est réalisée. Les caractéristiques électrochimiques remarquables de gamma’-V2O5, et notamment sa tension élevée de 3,3V et son excellente stabilité en cyclages, permettent de situer ce composé parmi les cathodes les plus performantes pour batterie au sodium

The question of energy storage is currently at the heart of many international issues. The development of storage systems such as lithium ion (LIB) and sodium ion (SIB) batteries is therefore today the subject of many researches.In this context, layered materials having an interlayer space allowing insertion of cationic species seem ideal in the context of use as a positive electrode material for these LIB and SIB systems. Among these structures, vanadium pentoxide, in its alpha form, is a model compound with many advantages as an attractive cathode material for lithium batteries. This material also has numerous stable polymorphs allowing a wide field of study of this compound.In this thesis we were interested in the gamma'-V2O5 polymorph, which exhibits a layered structure with very large interlayer space allowing an easier insertion. Therefore, increased electrochemical performances are expected for this compound. The aim of this thesis was to study the electrochemical properties and the structural response of this compound toward the insertion of lithium and sodium ions.The first part of this thesis proposes a review of the current literature studies devoted to lithium-ion and sodium batteries.In a second part, a thorough study of the electrochemical lithium and sodium insertion in the alpha-V2O5 phase are depicted. The electrochemical and structural properties of alpha-V2O5 will make it possible to highlight the advantage of using the polymorph gamma'-V2O5 as a positive electrode material for LIB and SIB.The third part of this thesis presents the synthesis and characterization of the gamma'-V2O5 polymorph. The complete study of this system is presented in the case of the insertion of lithium with a study of electrochemical performances, a kinetic study of the insertion reaction carried out by complex impedance spectroscopy and a description of the structural changes studied by X-ray diffraction and by Raman spectroscopy.In the fourth chapter, the insertion of sodium into the polymorph gamma'-V2O5 is studied, using the same approach than that adopted in the case of lithium. The structural mechanism involved during the electrochemical process is solved. The formation of a new sodium vanadium bronze, gamma-Na0.97V2O5 , is revealed and its structural determination is carried out. Due to its remarkable electrochemical characteristics, especially its high voltage of 3,3V and excellent cycling stability, the gamma'-V2O5 oxide ranks among the most performant cathode materials for sodium batteries