Ces travaux ont permis d'approfondir les mécanismes de (dé)lithiation et de vieillissement dans des électrodes à base de silicium et de LiFePO4 pour accumulateurs Li-ion à partir d'observations multi-échelles. Des cartographies de phases, autant à l'échelle de la particule qu'à l'échelle de l'électrode, ont été menées par microscopie électronique mettant en évidence de fortes hétérogénéités. Pour le silicium, la mise en place de cartographie unique par STEM/EELS, s'appuyant sur une base de données des pertes faibles d'alliages sensibles à l'air et au faisceau d'électrons, a permis de comprendre les mécanismes de lithiation à l'échelle du nanomètre. L'étude de la première lithiation a montré des différences de mécanismes de réaction avec le lithium suivant deux facteurs : la taille des particules et les défauts au sein de celles-ci. Il a été observé une composition d'alliage LixSi plus faible pour les nanoparticules que pour les microparticules. Les défauts dus notamment au broyage constituent des sites préférentiels de lithiation. En vieillissement, les nanoparticules subissent de profonds changements structuraux et morphologiques, passant d'un état sphérique cristallin (50 nm) à un réseau de fils amorphe (5-10 nm d'épaisseur) contenu dans une matrice de SEI. Pour le LiFePO4, il a été clairement montré, par la combinaison de plusieurs techniques de microscopies électroniques (diffraction des électrons en précession, EFSD : Electron Forward Scattering Diffraction, EFTEM), que les particules de taille nanométrique (100-200 nm) étaient soit entièrement lithiées soit entièrement délithiées à l'équilibre thermodynamique. De fortes hétérogénéités ont été observées dans les électrodes fines comme dans les électrodes épaisses. A l'échelle des particules, l'analyse statistique de plus de 64000 particules a montré que les plus petites particules se délithient en premier. A l'échelle de l'agglomérat, les cartographies de phases ont révélé un mécanisme « cœur-coquille » : la réaction débute de la surface vers le centre des agglomérats. A l'échelle de l'électrode, le front de propagation de phase se déplace suivant des chemins préférentiels de plus grandes porosités de la surface de l'électrode vers le collecteur de courant. La conductivité ionique au sein de nos électrodes est le facteur limitant. / This work aimed at better understanding the (de)lithiation and aging mechanisms in LiFePO4 and silicon-based electrodes for Li-ion batteries from multiscale investigations. Phase mapping was performed by electron microscopy at the particle scale and at the electrode scale. This highlights some strong heterogeneities. The silicon study has shown some different lithium reaction mechanisms following two effects: particle size and crystalline defects. A smaller lithium amount in LixSi alloy was highlighted for the nanoparticles rather than for the microparticles. The defects mainly due to milling are preferential sites for the lithiation. In aging, the nanoparticles have undergone structural and morphological changes. The pristine crystalline spherical shape (50 nm) was transformed into an amorphous wire network (5-10 nm of thickness) contained in a SEI matrix. Thanks to a combination of electron microscopy techniques (precession electron diffraction, Electron Forward Scattering Diffraction, EFTEM), it was clearly shown that the LiFePO4 particles (100-200 nm) are either fully lithiated or fully delithiated at the thermodynamic equilibrium. Strong heterogeneities were observed in the thin and thick electrodes. At the nanoscale, the statistical analysis of 64000 particles unambiguously shows that the small particles delithiate in first. At the mesoscale, the phase maps reveal a core-shell mechanism at the scale of the agglomerates, from the surface to the center of these agglomerates. At the electrode scale, the phase front would move following preferential paths into the higher porosity from the surface in contact with electrolyte toward the current collector. The electrode ionic conductivity is the limiting parameter.

Dans ce travail nous avons réalisé la synthèse de nitrures structure 2D Li3-2xCoxN et de structure 3D Li7MnN4 par méthode céramique, sous atmosphère contrôlée. Après avoir acquis la maîtrise des paramètres de synthèse, nous réalisons la caractérisation structurale et l'étude des propriétés électrochimiques de chaque matériau (capacité spécifique, rechargeabilité…). Dans le cas des matériaux 2D, des affinements par la méthode de Rietveld nous ont permis de déterminer précisément les formules de ces composés. Une étude par spectroscopie diélectrique met en évidence la présence d'une faible proportion de Co+ parmi les Co2+ à l'origine de propriétés de conduction électronique. Nous montrons pour une étude DRX in-operando que le volume de maille ne varie que de 1,5% lors de d'un cycle expliquant la stabilité des capacités de 180mAh g-1 à 300 mAh g-1 selon les conditions. Dans le cas des matériaux 3D, Li7MnN4 a montré les meilleures performances avec des capacités réversibles jusqu' 300mAh g-1. Une étude DRX in-operando a montré que le mécanisme de désinsertion du lithium se déroulé en deux biphasage et une étape de solution solide. Une optimisation des performances est possible en réduisant la taille des particules par mécanobroyage : des capacités de 250 et 120 mAh g-1 sont obtenus à régime C et 5c. L'ensemble de ces nitrures présentent une forte réactivité avec l'humidité mais leur structure a pu être préservée sous air sec / In this study, we focus on the synthesis of nitrides with 2D structure Li3-2xCoxN and 3D structure Li7MnN4 by solid state route, under controlled atmosphere. Once we master all parameters of the synthesis, we study the structural chracterization and the electrochemical properties of each compound (specific capacity, rechargeability...) In the case of 2D compounds, precises compositions were determined by Rietveld refinement A dielectric spectroscopy study demonstrate the existance of a small populations of Co+ ions among Co2+, which lead to electronic conductivity properties. By in-operando XRD study we show the lattice volume varies by only 1,5% which explains the stabilty of the specific capacity of 180mAh g-1 à 300 mAh g-1 depending on conditions. In the case of 3D compounds, Li7MnN4 showed the best performance with reversible capacities up to 300mAh g-1. A XRD in-operando study showed that the mechanism of lithium desintertion place in two biphasage and a solid solution phase. Performance optimization is possible by reducing the particle size by ball milling: capacities of 250 and 120 mAh g-1 are obtained at C and 5C rates. All these nitrides present a high reactivity with moisture but the structure was preserved in dry air

Ce travail est peut être séparé en deux parties. Dans la première, nous rapportons l'étude menée sur un composé modèle d'hydroxyde de Nickel. La caractérisation de ce composé par diffraction X montre qu'il possède une cristallinité supérieure aux hydroxydes de nickel habituellement utilisés. L'observation au microscope électronique à balayage révèle que la poudre est constituée de grains hexagonaux, de dimension supérieure au micromètre, formés de monocristaux, eux aussi hexagonaux, empilés de façon très ordonnée. Les mesures électrochimiques montrent quant à elles que les composés modèles présentent des propriétés redox intéressantes. La morphologie très particulière de ce composé confère à cet hydroxyde de nickel un comportement de type monocristal en spectroscopie Raman. Des mesures in-situ, couplant voltamétrie cyclique et spectroscopie Raman, réalisées sur ce composé modèle, ont donc été mises en place. Les premiers résultats montrent que ces expériences pourraient nous aider à améliorer notre compréhension des mécanismes redox fondamentaux mis en jeu.Dans la deuxième partie, nous étudions le comportement électrochimique d'une électrode de nickel lorsque l'électrolyte (i.e. KOH 7N) est saturé en zinc. Des électrodes de type industriel ont été préparées à partir d'un hydroxyde de Nickel standard et non dopé, puis cyclées en condition galvanostatique. Les échantillons ainsi obtenus ont ensuite été caractérisés par MEB, DRX, IR et EXAFS. Cette dernière technique qui s'est avérée être la plus appropriée pour l'analyse de ces matériaux d'électrodes très hétérogènes nous a ainsi permis d'apporter des réponses pertinentes sur l'insertion du zinc dans la structure cristalline de Ni(OH)2. / This work may be separated in two parts. First, we report the study of a model compound of nickel hydroxide. X-ray diffraction shows that this compound has a better crystallinity than the standard nickel hydroxides used in commercial battery. Scanning Electron Microscopy revealed that the powder of this model hydroxide is composed of hexagonal grains whose dimension is larger than micrometer and who are formed of single-crystals, also hexagonal, stacked in a well ordered way. The electrochemical measurements show that this nickel hydroxide exhibit interesting redox properties. The particular morphology of the compound gives single-crystal type behavior in Raman spectroscopy. Therefore, in-situ measurements combining electrochemical measurements and Raman spectroscopy, performed on a single microscopic hexagonal plate, are proposed. Preliminary results emphasize that this experiment may help us to improve our understanding of the fundamental redox mechanism taking place in nickel hydroxide.Secondly, we study the electrochemical behavior of a nickel electrode in the presence of Zinc in the electrolyte. Industrial-type electrodes were prepared from a standard undoped nickel hydroxide. Then, samples obtained after electrochemical test were characterized by SEM, XRD, IR and EXAFS. The later which turned out to be the most appropriate for the analysis of our electrode materials, allowed us to get deeper insights in the insertion of zinc in the structure of Ni(OH)2.

Les nouvelles technologies sont de plus en plus demandeuses de sources de forte densité d’énergie respectueuses de l’environnement. Les accumulateurs lithium-ion semblent être la meilleure solution pour les applications mobiles et pour le domaine de l’automobile. Afin de répondre aux besoins en énergie de plus en plus importants, de nouveaux matériaux d’électrode négative sont nécessaires pour remplacer le carbone qui a désormais atteint son stade de maturité. En particulier, les composites silicium/carbone (Si/C) semblent être prometteurs pour augmenter la densité d’énergie des accumulateurs mais présentent de faibles rétentions de capacité au cours du cyclage. L’amélioration de la cyclabilité des composites Si/C fait l’objet de ce travail de thèse. La synthèse des composites par atomisation avec de l’alcool polyvinylique comme précurseur carboné suivie d’une pyrolyse est présentée. Les performances électrochimiques des matériaux résultants sont comparées à celles obtenues par d’autres composites, élaborés par lyophilisation et par broyage. Les propriétés intrinsèques des composites ont été modifiées par deux voies différentes afin d’améliorer leur cyclabilité. Dans un premiers temps, les effets de la réticulation de l’alcool polyvinylique ont été étudiés, puis ceux liés à l’ajout d’un catalyseur favorisant la graphitisation du carbone. La cyclabilité des composites Si/C peut également être améliorée en modifiant la nature du liant utilisé lors de la préparation des électrodes. L’intérêt bénéfique de l’emploi de l’acide polyacrylique en remplacement du fluorure de polyvinylidène couramment utilisé dans des électrodes à base de composites Si/C est démontré. / New technologies require more and more environment friendly sources of high energy density. Lithium-ion batteries seem to be the best solution for mobile and automotive applications. In order to meet the future energy requirements, new negative electrode materials are needed to replace carbon which has now reached a mature stage. Especially, silicon/carbon composites (Si/C) appear to be promising candidates to increase the energy density of batteries, but they still present poor capacity retention upon cycling. The improvement of Si/C composites cyclability is the subject of this thesis. The synthesis of Si/C composites by spray drying with polyvinyl alcohol as carbon precursor, followed by pyrolysis, is presented. The electrochemical performances are compared with those obtained for other composites, prepared by freeze drying and ball-milling. The intrinsic properties of the composites were modified in two different ways to improve their cyclability. First, we studied the effects of polyvinyl alcohol crosslinking, and then those related to the graphitization of carbon contained in these composites. The cyclability of Si/C composites can also be improved by changing the nature of the binder used during the electrodes preparation. The beneficial interest of using polyacrylic acid in replacement of polyvinylidene fluoride binder commonly used in Si/C based electrodes is shown.

Dans le cadre du développement de technologies innovantes dans le domaine des accumulateurs Li-ion à charge rapide, typiquement inférieure à 5 minutes, des séparateurs commerciaux ont été caractérisés par différentes méthodes physico-chimiques et électrochimiques afin de corréler leurs structures poreuses aux performances en charge rapide enregistrées. L'architecture d'électrode choisie utilise l'oxyde de titane Li4Ti5O12 à l'électrode négative et le spinelle LiMn2O4 à la positive.<br />Afin d'augmenter les capacités chargées par rapport aux séparateurs commerciaux, des membranes à squelette poly(fluorure de vinylidène) et poly(fluorure de vinylidène) co poly(hexafluoropropylène) ont été élaborées par inversion de phase en utilisant la méthodologie des plans d'expériences. Les processus de formation ont été explicités à partir de la thermodynamique des systèmes ternaires polymère/solvant/non-solvant. Les membranes obtenues ont permis de gagner 20% de capacité chargée en 3 minutes par rapport aux séparateurs commerciaux.<br />Enfin, les limitations en charge rapide dues aux séparateurs ont été étudiées et identifiées à l'aide d'un code de modélisation d'accumulateurs Li-ion.

Des couches minces amorphes d'oxysulfures de molybdène, préparées par pulvérisation cathodique radiofréquence, ont ete caractérisées par spectroscopie AUGER, RBS, microsonde électronique, diffraction des rayons X et diffraction électronique. Une étude XPS a permis de déterminer le degré d'oxydation et l'environnement des différents éléments en fonction de la composition des couches minces. Les propriétés électrochimiques de ces nouveaux matériaux ont été déterminees. Ils ont été utilisés comme électrode positive dans des générateurs électrochimiques au lithium. Un grand nombre de cycles décharge-charge a été réalisé. Il a été montre que le soufre et le molybdène participent aux mécanismes d'oxydoréduction.

La tres faible conductivite electronique de l' hydroxyde de nickel utilise a l' electrode positive de l' accumulateur nickel - cadmium rend necessaire l' ajout d' un conducteur electronique. Actuellement, les fabricants d' accumulateurs ont recours a l' addition de phases cobaltees pour ameliorer les performances de l' electrode de nickel. Ce travail est donc consacre a l' etude des differentes especes chimiques et des mecanismes impliques lors de l' utilisation d' un oxyde de cobalt du type CoO comme conducteur electronique ajoute a l' electrode positive d' une batterie nickel-cadmium. La premiere partie est relative a la caracterisation physico-chimique des phases responsables de la conduction electronique au sein de l' electrode de nickel (oxyhydroxydes de cobalt) : etude structurale par la methode de Rietveld, determination de la formulation chimique et analyse des proprietes de conduction electronique. Une etude electrochimique de ces materiaux a egalement ete effectuee a l' aide des techniques de cyclages voltamperotrique et galvanostatique. La seconde partie est relative a l' etude des mecanismes reactionnels conduisant du monoxyde de cobalt a l' oxyhydroxyde de cobalt.

Les systèmes électrochimiques lithium-air sont des concepts naissants mais exhibent des performances théoriques intéressantes qui laissent espérer une rupture technologique dans le domaine des batteries pour véhicule électrique. La possibilité d'atteindre une densité d'énergie supérieure à 500 Wh kg-1 est effectivement en ligne de mire. A contrario de la technologie lithium-air anhydre, les systèmes lithium-air aqueux n'ont, jusqu'à présent, fait l'objet d'aucune étude approfondie. Ce travail concerne donc le développement d'un système lithium-air aqueux, à trois électrodes, et vise également à améliorer nos connaissances fondamentales dans le domaine. La présente étude se focalise sur le compartiment positif de la cellule, dans lequel les réactions de l'oxygène sont mises en jeu. Dans un premier temps, une électrode spécifiquement dédiée à la réaction de dégagement d'oxygène a été élaborée à partir d'un acier 316L. L'étude de son comportement a révélé une bonne propension à catalyser la réaction de dégagement d'oxygène ainsi qu'une bonne stabilité sur 3 000 heures de fonctionnement. Néanmoins, d'importants problèmes de catalyse ont pu être observés et attribués à la présence des ions lithium dans l'électrolyte de la batterie. Les ions Li+ bloquent les transitions électrochimiques des sites actifs à l'origine des propriétés d'électrocatalyse. Le comportement d'une électrode à air, composée de carbone et d'oxydes de manganèse, a par la suite été caractérisé dans ce milieu. L'étude révèle deux phénomènes importants réduisant la performance de l'électrode et dont l'origine a également été attribuée aux ions lithium : un blocage des transitions (MnIII/MnIV), et une stabilisation des groupements oxygénés à la surface du carbone. Pour finir, il a été proposé d'optimiser le système électrolytique en limitant l'activité des ions Li+ en solution et ainsi d'améliorer le rendement en potentiel de charge/décharge de la batterie.

Les nouvelles technologies sont de plus en plus demandeuses de sources de forte densité d'énergie respectueuses de l'environnement. Les accumulateurs lithium-ion semblent être la meilleure solution pour les applications mobiles et pour le domaine de l'automobile. Afin de répondre aux besoins en énergie de plus en plus importants, de nouveaux matériaux d'électrode négative sont nécessaires pour remplacer le carbone qui a désormais atteint son stade de maturité. En particulier, les composites silicium/carbone (Si/C) semblent être prometteurs pour augmenter la densité d'énergie des accumulateurs mais présentent de faibles rétentions de capacité au cours du cyclage. L'amélioration de la cyclabilité des composites Si/C fait l'objet de ce travail de thèse. La synthèse des composites par atomisation avec de l'alcool polyvinylique comme précurseur carboné suivie d'une pyrolyse est présentée. Les performances électrochimiques des matériaux résultants sont comparées à celles obtenues par d'autres composites, élaborés par lyophilisation et par broyage. Les propriétés intrinsèques des composites ont été modifiées par deux voies différentes afin d'améliorer leur cyclabilité. Dans un premiers temps, les effets de la réticulation de l'alcool polyvinylique ont été étudiés, puis ceux liés à l'ajout d'un catalyseur favorisant la graphitisation du carbone. La cyclabilité des composites Si/C peut également être améliorée en modifiant la nature du liant utilisé lors de la préparation des électrodes. L'intérêt bénéfique de l'emploi de l'acide polyacrylique en remplacement du fluorure de polyvinylidène couramment utilisé dans des électrodes à base de composites Si/C est démontré.

Les accumulateurs nickel-hydrure métallique (NiMH) dominent actuellement le marché du stockage de l’énergie pour les véhicules hybrides. On estime à 1 milliard, le nombre de batteries NiMH produites chaque année. En fin de vie, le taux de recyclage de ces déchets électroniques reste faible, bien que la technologie NiMH contienne des quantités importantes de métaux onéreux et stratégiques. Deux grandes familles d’éléments chimiques coexistent sous forme de composés intermétalliques dans l’électrode négative: les métaux de transitions (TM) (Ni, Co, Mn et Fe) ainsi que les terres rares (REE) (La, Ce, Nd et Pr). Parmi les TM, le cobalt présente une criticité accrue. En effet, les minerais issus de réserves naturelles ne permettront pas de couvrir la demande croissante en cobalt liés au développement des technologies émergentes. Les REE produits à plus de 97 % en Chine sont au cœur des préoccupations de l’Union Européenne qui depuis 2010 pointe du doigt des techniques d’extractions dévastatrices pour l’environnement. C’est dans le but de répondre aux problématiques économiques et environnementales que le projet a été construit en associant l’entreprise de recyclage de batteries Recupyl® au laboratoire académique LEPMI grâce au financement du Labex CEMAM. L’objectif de ce travail est de proposer un procédé avec un faible impact environnemental pour le recyclage des métaux à partir de véritables accumulateurs NiMH. Pour cela, le remplacement de solvants volatiles organiques par des liquides ioniques, plus respectueux des principes de la ‘chimie verte’ sera étudié. En s’appuyant sur des procédés innovants d’extraction liquide-liquide et de récupération des éléments par hydrométallurgie et par électrochimie nous proposons une voie de valorisation des métaux présents dans ces batteries. / Nickel-metal hydride (NiMH) batteries are currently dominating the market of energy storage in hybrid electric vehicles. 1 billion cells are estimated to be produced each year. In their end-of-life, these electronical wastes exhibit low recycling rates, despite the fact that NiMH batteries contain high amounts of valuable and strategic metals. Two main metal families coexist as an intermetallic compound in negative electrodes: transition metals (TM) (Ni, Co, Mn and Fe) and rare earth elements (REE) (La, Ce, Nd and Pr). Among TM, cobalt exhibits the highest criticality rate. Indeed, natural ores will not cover the increasing cobalt demand linked to emerging technologies. REE produced at more than 97 % in China are at the centre of European Union’s preoccupations. To tackle economic and environmental issues, this project, supported by the labex CEMAM is a partnership between the company Recupyl® and the academic laboratory LEPMI. It aims at investigating on low environmental impact routes for the recycling of metals present in real spent NiMH batteries. This requires the replacement of volatile organic compounds by ionic liquids, respecting the principles of ‘green chemistry’. Based on innovative extraction and recovery processes of elements by hydrometallurgy and electrochemistry, we propose a flowsheet for the valorisation of metals from those batteries.