The invention of the lithium-ion battery has revolutionized the passenger transportation field in recent years, and it has emerged as one of the state-of-the-art solutions to address greenhouse gases emission and air pollution issues. Layered oxide lithium-ion battery cathode materials have become commercially successful in the past few decades due to their high energy density, high power density, long cycle life, and low cost. Yet, with the increasing demand for battery performance, it is crucial to understand the material fading mechanisms further to improve layered oxide materials' performance. A heterogeneous redox reaction is a dominant fading mechanism, which limits the utilization percentage of a battery materials' redox capability and leads to adverse effects such as detrimental interfacial reactions, lattice oxygen release, and chemomechanical breakdown. Crystallographic defects, such as dislocations and grain boundaries, are rich in battery materials. These crystallographic defects change the local lithium-ion diffusivity and have a dramatic effect on the redox reactions. To date, there is still a knowledge gap on how various crystallographic defects affect electrochemistry at the microscopic scale. Herein, we adopted synchrotron-based diffraction, imaging, and spectroscopic techniques to systematically study the correlation between crystallographic defects and redox chemistries in the nanodomain. Our studies shed light on design principles of next-generation battery materials. In Chapter 1, we first provide a comprehensive background introduction on the battery chemistry at various length scales. We then introduce the heterogeneous redox reactions in layered oxide cathode materials, including a discussion on the impacts of heterogeneous redox reactions. Finally, we present the different categories of crystallographic defects in layered oxide materials and how these crystallographic defects affect electrochemical performance. In Chapter 2, we use LiCoO2, a representative layered oxide cathode material, as the material platform to quantify the categories and densities of various crystallographic defects. We then focus on geometrically necessary dislocations as they represent a major class of crystallographic defects in LiCoO2. Combining synchrotron-based X-ray fluorescence mapping, micro-diffraction, and spectroscopic techniques, we reveal that geometrically necessary dislocations can facilitate the charging reactions in LiCoO2 grains. Our study illustrates that the heterogeneous redox chemistries can be potentially mitigated by precisely controlling the defects. In Chapter 3, we systematically investigated how grain boundaries affect redox reactions. We reveal that grain boundaries can guide redox reactions in LiNixMnyCo1-x-yO2 (NMC) materials. Specifically, NMC materials with radially aligned grains have a more uniform charge distribution, less stress mismatch, and better cycling performance. NMC materials with randomly orientated grains have a more heterogeneous redox reaction. These heterogeneous redox reactions are related to the lattice strain mismatch and worse cycling performance. Our study emphasizes the importance of tuning grain orientations to achieve improved performance. Chapter 4 systematically investigated how the grain boundaries and crystallographic orientations affect the thermal stability of layered oxide cathode materials. Combining diffraction, spectroscopic, and imaging techniques, we reveal that a cathode materials' microstructure plays a significant role in determining the lattice oxygen release behavior and, therefore, determines cathode materials' thermal stability. Our study provides a fundamental understanding of how the grain boundaries and crystallographic orientations can be tuned to develop better cathode materials for the next-generation Li-ion batteries. Chapter 5 summarizes the contributions of our work and provides our perspective on future research directions. / Doctor of Philosophy / Lithium-ion battery technology has revolutionized the portable electronic device and electric vehicle markets in recent years. Yet, the performance of current lithium-ion batteries still cannot satisfy customer demands. To further improve battery performance, we need a deeper understanding of why battery materials degrade over long-term cycling. One of the fading mechanisms in lithium-ion batteries is heterogeneous redox reactions, i.e., charge or discharge reactions do not proceed at the same pace at different locations in the electrode materials. Herein, we utilize layered oxide cathode materials as an example to systematically investigate how crystallographic defects in the cathode materials lead to heterogeneous redox reactions. Our study indicates that crystallographic defects, such as geometrically necessary dislocations, contribute positively to the charging reaction of the cathode materials. We also unveil that the grain crystallographic orientations of the primary particles affect the redox reactions directly. By aligning the single grains in the radial direction, the volumetric-change-induced stress can be effectively mitigated to ensure prolonged cycling performance. Our study also points out that the single grain orientations are related to the thermal stability of the battery materials. To summarize, our studies provide new insights into the heterogeneous redox reactions in battery materials and offer critical material design criteria to improve battery performance further.

Lithium-ion batteries have become a vital part of our modern life and play an essential role in electric vehicle development. One of the most feasible strategies to enhance the energy density of Li-ion batteries is to use layered, Ni-rich cathode materials. However, higher nickel content causes several problems and therefore, several methods, including doping and coating, have been utilized to stabilize their structure and boost their performance. This thesis aims to understand the microstructure of such engineered complex cathodes and provide valuable contributions by comprehensively understanding and establishing a link between the composition, structure, performance, and properties of these complex materials. In this regard, the most advanced electron- and photon-based techniques have been used to uncover the fundamental underlying reasons for the enhanced performance or degradation in these complex cathode structures. This study shows that introducing W cation inside the LiNiO2 results in new W-variants with a heterogeneous concentration on the top surface and through grain boundaries of the host secondary particles. These W-rich regions play a reinforcing role in grain boundaries and protect the outer surface of LiNiO2 particles. However, synthesis defects, such as porosities, could reduce these benefits by increasing the electrolyte infiltration inside the cathode particles. It is also demonstrated that the degradation process can be studied through the changes in electron energy loss near-edge structure spectra. The investigation of a coating approach on LiNi0.8Co0.15Al0.05O2 materials through the mechanofusion process illustrates more microscopic-scale details regarding the thickness unevenness of the coating and some degree of physical intermixing between the core (LiNi0.8Co0.15Al0.05O2) and coating (LiFePO4 and alumina) precursors. In addition to good physical contact between the core and coating materials, further analysis at higher resolution reveals some nanoscale grains and defective areas near the top surface of the secondary particles following the mechanofusion coating process. / Thesis / Doctor of Philosophy (PhD)

Fuel cells have the potential to provide clean power for a variety of uses including stand-alone residential power. But to increase the acceptance of fuel cells for off-grid generation, the cost of the energy management system must be greatly reduced. Of the many ways to accomplish this, this paper looks at reducing cost through topology changes and elimination of current sensors. A dual 2.5kW non-isolated bidirectional boost converter is designed and analyzed. The various bidirectional boost topologies are compared on cost and ability to meet the specifications. A sensorless average current mode is designed, implemented and verified through testing in a low-cost fixed-point DSP. Both boost and buck modes are accurately modeled and voltage and current controllers are designed for good closed-loop response. The accuracy of the sensorless average current measurement is investigated in both modes of operation. A classical dual-loop controller is implemented in boost mode with the sensorless average current and in buck mode, a dual controller operating in either current or voltage mode is implemented. The design is verified through testing in boost and buck mode and it is shown that the results are acceptable. / Master of Science

There are two important issues about a spacecraft power conversion system: low ripple current flowing through both battery and bus, and bi-directional power flow to and from the battery. This thesis introduces a novel low ripple current bi-directional battery charge/discharge converter using coupled-inductor. Bi-directional switch structures and proper control scheme make it possible for the power to flow through the same converter in both directions: charging and discharging the battery. Meanwhile, the coupled-inductor is designed in such a way that all the magnetizing current (ripple current) is confined within the converter, yielding "zero-current-ripple" (ZCR) on both battery side and bus side. ZCR condition analysis, topological comparison with similar approach, and circuit design guide line are given in this thesis. Circuit operation and performance, bi-directional control strategy, and small signal characteristics of the converter are also presented along with experimental verification. / Master of Science

This case study investigates the potential graphite circular economy within the lithium-ion battery industry, intending to create sustainable management of graphite waste streams. The improper handling of graphite as waste amplifies the carbon footprint and incurs additional costs for battery recyclers. Unlike cathode materials in batteries, graphite regeneration into battery-grade material has not beenindustrialized. Therefore, the study investigates recycling and other alternative approaches to obtain the circularity of graphite. The research explores downcycling, recycling, and upcycling business modelsfor graphite from lithium batteries. With the aim to maximize value and minimize efforts and associated costs. As per methods, an exploratory qualitative method was employed with the data mainly collected through interviews with actors in the graphite sector and recycling technologies. The findings showeconomic viability, feasibility, market dynamic, and regulatory aspects as crucial considerations for the decision-making of battery recyclers. Given the novelty of the material, evaluating technical feasibility through research and development requires coordination with potential partners. Several potential customer options, including graphene applications, steel and refineries, and refractory products, are proposed, each involving a respective business model. Furthermore, the study suggests diversifying partners and establishing partnerships with material receivers as a short-term strategy while awaiting advancements in recycling and upcycling technologies.

Le potentiel d’oxydoréduction des anodes utilisée dans un pile lithium-ion doit se trouver au-dessus de 0,75V vs Li/Li+ pour rester sécuritaire et ne doit pas excéder 2V vs Li/Li+ pour conserver une puissance adéquate. Suite aux travaux effectués les polythienopyrroledione (PTPD) ont démontré des potentiels d'oxydo-réduction de 1,6V vs Li/Li+ ce qui correspond aux critères établis ci-haut. De plus, ils ont une capacité théorique de 215 mAh/g, ont obtenu une capacité expérimentale de 209 mAh/g. Cette capacité est toutefois inférieure à celle des matériaux d'anodes actuellement sur le marché. Par contre, étant donné que la capacité d'une pile est limitée par la capacité de l'électrode la plus faible, et qu'actuellement les piles lithium-ion sur le marché sont basées sur le LiFePO₄ qui possède une capacité de 170 mAh/g, il serait envisageable que les PTPD puissent potentiellement être des anodes commercialisables.

Le PCBM (phenyl CÔI butyric methylester) est un dérivé très utilisé comme matériau de type n dans les piles solaires organiques (accepteur d'électrons). Avec les nombreuses recherches effectuées dans le domaine, il est désormais possible d'obtenir d'encourageants taux de conversion de l'énergie solaire en électricité (plus de 7 %). Bien que le PCBM donne de bons résultats, cet accepteur d'électrons n'est pas le composé optimal pour tous les polymères [Pi] -conjugués et une modulation du niveau énergétique de l'orbitale LUMO est souhaitable. L'objectif principal de ce projet est de synthétiser des dérivés solubles du C₆₀ dont l'orbitale LUMO se situe entre -3,7 et -4,0 eV (comparativement à -4,3 eV pour le PCBM) résultant en une augmentation de la valeur du Voc et conséquemment, de l'efficacité du dispositif. Quelques groupes de recherche se sont penchés sur la modulation de l'orbitale LUMO du C₆₀, mais les changements se sont avérés trop faibles pour avoir un impact significatif sur les performances des piles solaires. Cela peut s'expliquer par la faible communication électronique entre les groupements attachés au C₆₀ et le C₆₀ même. En effet, pour le PCBM, deux carbones sp³ lient le groupement au C₆₀, ce qui a comme effet d'empêcher une conduction directe des électrons au fullerène. Dans le cadre de ce projet, nous proposons d'utiliser une liaison conjuguée afin de lier des groupements électrodonneurs au C₆₀. Par cette liaison, seulement un carbone hybride sp est présent pour attacher le groupement. Ceci devrait donc permettre une meilleure conduction des électrons au C₆₀ et, par le fait même, permettre d'améliorer la modulation de l'orbitale LUMO de ce dernier. Nous avons donc effectué la synthèse de plusieurs dérivés contenant divers groupements électro-donneurs et électro-accepteurs pour étudier leur influence sur les niveaux énergétiques du fullerène. La synthèse de ces dérivés a été faite par la réaction d'éthynylation. Les composés obtenus ont été purifiés par chromatographie en phase liquide et complètement caractérisés par spectroscopie UV-visible et électrochimie. De plus, en utilisant la méthode DFT, nous avons comparé les niveaux énergétiques théoriques des nouveaux dérivés aux résultats expérimentaux.

Pour assurer une énergie électrique de qualité et de façon permanente, il existe des systèmes électroniques d’alimentation spécifiques. Il s’agit des Alimentations Sans Interruptions (ASI). Une ASI comme tout autre système peut tomber en panne ce qui peut entrainer une perte de redondance. Cette perte induit une maintenance corrective donc une forme d’indisponibilité ce qui représente un coût. Nous proposons dans cette thèse de travailler sur deux composants parmi les plus sensibles dans les ASI à savoir les condensateurs électrolytiques et les batteries au plomb. Dans une première phase, nous présentons, les systèmes de surveillance existants pour ces deux composants en soulignant leurs principaux inconvénients. Ceci nous permet de proposer le cahier des charges à mettre en œuvre. Pour les condensateurs électrolytiques, nous détaillons les différentes étapes de caractérisation et de vieillissement ainsi que la procédure expérimentale de vieillissement standard accéléré et les résultats associés. D’autre part, nous présentons les résultats de simulation du système de surveillance et de prédiction de pannes retenu. Nous abordons la validation expérimentale en décrivant le système développé. Nous détaillons les cartes électroniques conçues, les algorithmes mis en œuvre et leurs contraintes d’implémentation respectifs pour une réalisation temps réel. Enfin, pour les batteries au plomb étanches, nous présentons les résultats de simulation du système de surveillance retenu permettant d’obtenir le SOC et le SOH. Nous détaillons la procédure expérimentale de vieillissement en cycles de charge et décharge de la batterie nécessaire pour avoir un modèle électrique simple et précis. Nous expliquons les résultats expérimentaux de vieillissement pour finir avec des propositions d’amélioration de notre système afin d’obtenir un SOH plus précis. / To ensure power quality and permanently, some electronic system supplies exist. These supplies are the Uninterrupted Power Supplies (UPS). An UPS like any other system may have some failures. This can be a cause of redundancy loss. This load loss causes a maintenance downtime which may represent a high cost. We propose in this thesis to work on two of the most sensitive components in the UPS namely electrolytic capacitors and lead acid batteries. In a first phase, we present the existing surveillance systems for these two components, highlighting their main drawbacks. This allows us to propose the specifications which have to be implemented for this system. For electrolytic capacitors, we detail different stages of characterization ; the aging accelerated standard experimental procedure and their associated results. On the other hand, we present the simulation results of monitoring and failure prediction system retained. We discuss the experimental validation, describing the developed system. We detail the electronic boards designed, implemented algorithms and their respective constraints for a real time implementation. Finally, for lead acid batteries, we present the simulation results of the monitoring system adopted to obtain the SOC and SOH. We describe the aging experimental procedure of charging and discharging cycles of the batteries needed to find a simple and accurate electric models. We explain the aging experimental results and in the end we give suggestions for improving our system to get a more accurate SOH.

La miniaturisation des systèmes électroniques est aujourd’hui l’un des enjeux majeurs de la recherche et demande une importante évolution des sources d’énergie. Les micro-accumulateurs tout solide sont une réponse parfaitement adaptée à ce besoin. Leur capacité est toutefois actuellement limitée à 50-200 µAh.cm-2 du fait de la difficulté d’employer des couches de matériaux actifs d’épaisseur supérieure à 5 µm. L’une des pistes pour augmenter la capacité spécifique des micro-accumulateurs est de déposer les différents matériaux sur un substrat texturé. Les techniques de dépôt sous vide classiques ne permettent pas de déposer des films conformes sur de telles surfaces, principalement à cause d’effets d’ombrage. L’objectif de ce travail de thèse a donc été de développer de nouvelles voies de dépôt pour la réalisation de micro-accumulateurs tout-solide 3D. Deux voies de dépôt chimique ont été explorées : la synthèse sol-gel et l’électrodépôt sous conditions hydrothermales. La synthèse sol-gel n’a pas permis d’aboutir à la réalisation de films denses et conformes. Cependant, elle s’est avérée très intéressante pour synthétiser des poudres de LiCoO2 rhomboédrique présentant d’importantes surfaces spécifiques, sans étape de broyage, à des températures de synthèse modérées (600-700°C). Le dépôt électrolytique en conditions hydrothermales s’est quant à lui révélé très prometteur tant pour sa vitesse de dépôt importante, jusqu’à 300 nm.mn-1, que pour sa température de synthèse basse, à partir de 125°C, sans nécessiter de recuit. Les films synthétisés présentent d’excellentes performances électrochimiques en électrolyte liquide et une conformité sur des substrats texturés supérieure à 97 %. / The miniaturization of electronic systems is today a main topic of research and requires an important evolution of energy sources. All solid state micro-batteries are a perfectly adapted solution for this need. However, their specific capacity is limited to 50-200 µAh.cm-2 due to the difficulty to use films of active materials thickness over than 5 µm. One of the answers to enhance micro-batteries specific capacity is to deposit materials on textured substrate. Nevertheless, classical vacuum deposition techniques are not adapted to deposit conformal thin films on such surfaces because of shadow effects. The aim of this PhD-work was to develop new synthesis routes to realize 3D all solid state micro-batteries. Two chemical synthesis routes were studied: the sol-gel method and the electrodeposition under hydrothermal conditions. The sol-gel synthesis was not efficient to realize conformal and dense films. However, this technique was very effective to obtain rhombohedra LiCoO2 powders with high specific surface, without grinding step, at moderate temperature (600-700°C). The electrodeposition under hydrothermal conditions was very promising, both for its high deposition rate (up to 300 nm.mn-1) and its low synthesis temperature (from 125°C) without any annealing. The synthesized films exhibited excellent electrochemical performances in liquid electrolyte and a conformity higher than 97 % on textured substrates.

Le procédé sol-gel non-hydrolytique (SGNH) offre une alternative intéressante au procédés sol-gel classiques. Notamment, la « voie éther », impliquant la réaction de précurseurs chlorures ou oxychlorures avec avec un éther comme donneur d’oxygène, est une méthode simple et efficace pour la préparation d’oxydes et d’oxydes mixtes mésoporeux. Les batteries Li-ion sont omniprésentes aussi bien dans des applications portables que pour des véhicules électriques ou hybrides. Cependant, les performances des électrodes commerciales sont insuffisantes pour des applications haute puissance. TiO2 est un candidat prometteur pour remplacer les anodes de graphitie dans les batteries Li-ion, mais sa conductivité électronique doit être améliorée. L’objectif de ce travail de thèse est d’utiliser les avantages du procédé SGNH pour préparer des matériaux d’électrodes à base de TiO2. Deux approches ont été explorées, mettant en jeu la voie éther en l’absence de tout solvant ou additif. Premièrement, des oxydes mésoporeux à structure hiérarchique, TiO2 et TiO2-V2O5, ont été synthétisés par calcination des xérogels. Deuxièmement, des nanocomposites mésoporeux constitués de nanoparticules de TiO2 recouvertes d’un film de carbone ont été obtenus par pyrolyse sous atmosphère d’argon, l’éther jouant le rôle de donneur d’oxygène et aussi, pour la première fois, de source de carbone. Les matériaux ont été caractérisés par physisorption d’azote, microscopie électronique, DRX, spectroscopie Raman, ATG ainsi que par RMN 13C CPMAS pour les nanocomposites. Les performances en insertion-désinsertion du lithium ont été étudiées par cyclage galvanostatique à différentes densités de courant. / Non-hydrolytic sol-gel (NHSG) provides useful alternatives to conventional sol-gel routes. In particular, the ether route based on the reaction of chloride or oxychloride precursors with ether oxygen donors is a well-established method for the preparation of mesoporous oxides and mixed-oxides. Li-ion batteries are ubiquitous in the field of electrochemical energy storage, from mobile devices to electric and hybrid vehicles. However, commercial electrode materials do not fulfill all the requirements needed for high-power applications. TiO2 is as a promising material to replace graphite anodes in high-power Li-ion batteries, despite its poor electronic conductivity, which must be improved. In this context, the objective of this PhD thesis is the conception of different TiO2-based electrode materials benefitting from NHSG advantages. Two different approaches were developed, using the ether route in the absence of any solvent or additive. First, hierarchical mesoporous oxides, TiO2 and TiO2-V2O5, were synthesized by calcination of xerogels in air. Secondly, mesoporous nanocomposites built of carbon-coated TiO2 nanoparticles were obtained by pyrolysis under argon of the xerogels; in this case, the ether is used for the first time as both as an oxygen donor and a carbon source. The texture and the structure of the resulting materials were characterized by N2 physisorption, electron microscopy, XRD, and Raman spectroscopy. TiO2/C samples were further analyzed by TGA and 13C CPMAS-NMR. Galvanostatic cycling at different current rates was performed to determine the electrochemical performances in lithium insertion-deinsertion.