Etude par Tomographie RX D’anodes à Base de Silicium pour Batteries Li-ion

• Main Author: Vanpeene, Victor
• Format: Dissertation
• Language: French
• Published: ProQuest Dissertations & Theses 01.01.2018
• Subjects: Electrodes; Electrolytes; Graphite; Lithium; Materials science; Silicon
• ISBN: 9798379451370

De par sa capacité spécifique théorique dix fois plus élevée que celle du graphite actuellement utilisé comme matériau actif d‟anode pour les batteries Li-ion, le silicium peut jouer un rôle important dans l‟augmentation de la densité d‟énergie de ces systèmes. La réaction d‟alliage mise en place lors de sa lithiation se traduit cependant par une forte expansion volumique du silicium (~300 % contre seulement ~10 % pour le graphite), conduisant à la dégradation structurale de l‟électrode, affectant notablement sa tenue au cyclage. Comprendre en détail ces phénomènes de dégradation et développer des stratégies pour limiter leur impact sur le fonctionnement de l‟électrode présentent un intérêt indéniable pour la communauté scientifique du domaine.L'objectif de ces travaux de thèse était en premier lieu de développer une technique de caractérisation adaptée à l‟observation de ces phénomènes de dégradation et d‟en tirer les informations nécessaires pour optimiser la formulation des anodes à base de silicium. Dans ce contexte, nous avons utilisé la tomographie aux rayons X qui présente l‟avantage d‟être une technique analytique non-destructive permettant le suivi in situ et en 3D des variations morphologiques s‟opérant au sein de l‟électrode lors de son fonctionnement. Cette technique a pu être adaptée à l‟étude de cas du silicium en ajustant les volumes d‟électrodes analysés, la résolution spatiale et la résolution temporelle aux phénomènes à observer. Des procédures de traitement d‟images adéquates ont été appliquées afin d‟extraire de ces analyses tomographiques un maximum d‟informations qualitatives et quantitatives pertinentes sur leur variation morphologique. De plus, cette technique a pu être couplée à la diffraction des rayons X afin de compléter la compréhension de ces phénomènes. Nous avons ainsi montré que l‟utilisation d‟un collecteur de courant 3D structurant en papier carbone permet d‟atténuer les déformations morphologiques d‟une anode de Si et d‟augmenter leur réversibilité en comparaison avec un collecteur de courant conventionnel de géométrie plane en cuivre. Nous avons aussi montré que l‟utilisation de nanoplaquettes de graphène comme additif conducteur en remplacement du noir de carbone permet de former un réseau conducteur plus à même de supporter les variations volumiques importantes du silicium. Enfin, la tomographie RX a permis d‟étudier de façon dynamique et quantitative la fissuration et la délamination d‟une électrode de Si déposée sur un collecteur de cuivre. Nous avons ainsi mis en évidence l‟impact notable d‟un procédé de « maturation » de l‟électrode pour minimiser ces phénomènes délétères de fissurationdélamination de l‟électrode.