京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第18278号 / 工博第3870号 / 新制||工||1594(附属図書館) / 31136 / 京都大学大学院工学研究科材料工学専攻 / (主査)教授 田中 功, 教授 邑瀬 邦明, 教授 酒井 明 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DGAM

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第21787号 / 工博第4604号 / 新制||工||1717(附属図書館) / 京都大学大学院工学研究科物質エネルギー化学専攻 / (主査)教授 安部 武志, 教授 作花 哲夫, 教授 阿部 竜 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DGAM

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L'objectif principal de ce travail est de développer une nouvelle vitrocéramique structurée par NASICON avec une conductivité Li-ion élevée. Par conséquent, ce travail présente une nouvelle série de compositions de type NASICON sur la base du système Li1+xCrx(GeyTi1-y)2-x(PO4)3. Dans un premier temps, une composition spécifique de ce système a été synthétisée par la méthode de fusion et refroidissement rapide, suivie d'une cristallisation. Le comportement de cristallisation du verre précurseur a été examiné par calorimétrie différentielle à balayage et spectroscopie infrarouge. Les principaux résultats indiquent que le verre précurseur présente une nucléation homogène, a une stabilité de verre considérable et cristallise une phase de type NASICON, qui permet d'obtenir des électrolytes solides par voie vitrocéramique. Dans une deuxième étape, on examine l'effet de la substitution de Ti par Cr et Ge sur la stabilité de verre du verre précurseur, sur les paramètres structuraux de la phase cristalline NASICON et sur les propriétés électriques des vitrocéramiques. Par conséquent, un ensemble de seize compositions de ce système est synthétisé. Les principaux résultats indiquent que la stabilité de verre augmente lorsque Ti est remplacé par Ge et Cr. Après cristallisation, toutes les vitrocéramiques présentent une phase de type NASICON, et leurs paramètres de maille décroissent avec Ge et augmentent avec la teneur en Cr, ce qui permet de régler le volume de la cellule unitaire de la structure de type NASICON. De plus, la conductivité ionique et l'énergie d'activation pour la conduction du lithium dans les vitrocéramiques dépendent notamment du volume de la cellule unitaire de la structure de type NASICON. Enfin, la fenêtre de stabilité électrochimique de la vitrocéramique à structure NASICON de conductivité ionique la plus élevée est étudiée. Les mesures de voltampérométrie cyclique sont suivies par spectroscopie d'impédance électrochimique in situ, permettant de déterminer l'effet des réactions d'oxydation et de réduction sur les propriétés électriques des vitrocéramiques en question. La spectroscopie photoélectronique par rayons X, à son tour, est appliquée pour déterminer quelles espèces chimiques subissent une réduction/oxydation. Nos résultats révèlent que la stabilité électrochimique de ce matériau est limitée par la réduction des cations Ti+4 dans les faibles potentiels et par l'oxydation des anions O-2 dans les hauts potentiels. Aux hauts potentiels, un comportement similaire a également été rencontré pour d'autres conduites Li-ion de type NASICON bien connues, suggérant que le comportement électrochimique dans les potentiels oxydatifs pourrait être généralisé pour les phosphates à structure NASICON. / The primary goal of this work is to develop a new NASICON-structured glass-ceramic with high Li-ion conductivity. Therefore, this work introduces a new series of NASICON-type compositions based on the Li1+xCrx(GeyTi1-y)2-x(PO4)3 system. At first, a specific composition of this system is synthesized by the melt-quenching method, followed by crystallization. The crystallization behavior of the precursor glass is examined by differential scanning calorimetry and infrared spectroscopy. The main results indicate that the precursor glass presents homogeneous nucleation, has considerable glass stability and crystallizes a NASICON-like phase, which allows solid electrolytes to be obtained by the glass-ceramic route. As a second step, we examine the effect of substituting Ti by Cr and Ge on the glass stability of the precursor glass, on the structural parameters of NASICON-like phase and the electrical properties of the glass-ceramics. Hence, a set of sixteen compositions of this system is synthesized. The main results indicate that the glass stability increases when Ti is replaced by Ge and Cr. After crystallization, all the glass-ceramics present NASICON-like phase, and their lattice parameters decrease with Ge and increase with Cr content, making it possible to adjust the unit cell volume of the NASICON-type structure. Furthermore, the ionic conductivity and activation energy for lithium conduction in the glass-ceramics are notably dependent on the unit cell volume of the NASICON-type structure. Finally, the electrochemical stability window of the NASICON-structured glass-ceramics of highest ionic conductivity is investigated. Cyclic voltammetry measurements are followed by in situ electrochemical impedance spectroscopy, enabling the effect of oxidation and reduction reactions on the electrical properties of the glass-ceramics in question to be determined. X-ray photoelectron spectroscopy, in turn, is applied to determine which chemical species undergo reduction/oxidation. Our findings reveal that the electrochemical stability of this material is limited by the reduction of Ti+4 cations in low potentials and by the oxidation of O-2 anions in high potentials. At high potentials, similar behavior is also encountered for other well-known NASICON-like Li-ion conducting suggesting that the electrochemical behavior in oxidative potentials could be generalized for NASICON-structured phosphates.

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Increasing energy demand draws attention to new materials for improving current energy storage technologies. Particular interest is directed at solid state batteries and glass Na3ClO electrolyte is a promising candidate. In this report we explore some of the properties of this new glass and its capabilities as a potential electrolyte for a solid-state battery. The two aims of the study were to model the amorphous structure of the glass using the stochastic quenching method based on density functional theory as well as assessing the electrochemical stability of it against a metallic sodium electrode. Using VASP, a computational code based on density functional theory, we performed calculations of two 150 atom supercells, where the atoms were moved around until the systems were relaxed to obtain two glass models and the resulting structures were analyzed and characterized. The characterization of the structures was made by means of partial radial distribution functions, angle distribution functions, coordination numbers and bond lengths, which showed that the two models are statistically equivalent and either one can be used for the stability assessment of the glass. The electrochemical stability was assessed by inserting an extra sodium atom in possible holes in the glass model and calculating the energetics of Na insertion in each of these holes. This was made for 30 different hole positions. The reduction potential indicates the stability of each hole and the results was plotted as an energy distribution. Two peaks in the energy distribution, located at positive and negative energies, indicating stable and unstable holes, respectively. This indicates that the amorphous structure of the glass allows Na ions to travel (unstable holes). The stable peak has a greater probability density, which indicates a stable electrolyte against sodium metal electrode, though a larger sampling of holes is required for better statistics. / Ökande krav på energiefterfrågan uppmärksammar nya material för att förbättra nuvarande energilagringsteknik, med fokus på solida batterier och glaset Na3ClO som en lovande kandidat för elektrolyt. I denna rapport undersöks några av egenskaperna för glaset samt möjligheten för denna att fungera som elektrolyt i ett solid-state batteri. Målen med projektet var att modellera den amorfa strukturen av glaset genom att använda stochastic quenching method som baseras på density functional theory samt undersöka den elektrokemiska stabiliteten mot en metallisk natrium elektrod. Genom användning av VASP, beräkningskoder baserade på density functional theroy, beräknades två superceller med 150 atomer vardera där atomerna flyttas runt tills dess att systemet var relaxerat och två modeller av glaset erhölls. Dessa var sedan visualiserades och karakteriserade. Karakterisering av strukturerna gjordes genom en partiella radiella fördelningsfunktioner, vinkel distrubitionsfunktioner, koordinationsnummer och bindningslängder. Detta visade på statistisk ekvivalens, vilket innebär att båda modellerna kan användas för vidare stabilitetsundersökning. Den elektrokemiska stabiliteten undersöktes genom att sätta in en extra natrium atom i möjliga hål i glas modellen samt beräkna dess energier av Na insättning i respektive hål. Detta gjordes för 30 olika positioner för hålen. Reduktionspotentialen indikerar stabiliteten för respektive hål, och resultatet plottades som en energidistribution. Två toppar i energidistributionen, lokaliserade vid positiva och negativa energier, indikerar stabila respeltive instabila hål. Detta indikerar på att den amorfa strukturen för glaset tillåter Na joner att färdas (instabila hål). Den stabila toppen har en större sannolikhetstäthet vilket indikerar på en stabil elektrolyt mot en metallisk natrium elektrod, men en större samling hål krävs för en bättre statistisk säkerhet.

Cotutelle entre l'Université de Montréal et l'Université catholique de Louvain / Les batteries aux ions lithium (BIL) sont considérées comme la technologie la plus prometteuse en matière de stockage d’énergie. Elles possèdent les plus hautes densités d’énergie connues, permettant la miniaturisation constante des appareils électroniques commercialisés. La recherche dans le domaine des BIL s’est plus récemment tournée vers leur implémentation dans les véhicules électriques, qui nécessitera de plus hautes densités d’énergie et de puissance . Une manière concrète d’augmenter la densité d’énergie d’une BIL est d’en augmenter le voltage de cellule. Pour se faire, la nouvelle génération de batteries sera composée de matériaux d’électrode positive à haut potentiel (tel que LiMn1.5Ni0.5O4 avec un potentiel de 4.7 V vs. Li+ /Li) et de lithium métallique en électrode négative. Néanmoins, l’introduction de ces matériaux d’électrode positive à haut potentiel est limitée par la stabilité électrochimique de l’électrolyte liquide conventionnel, composé d’un sel de lithium et de solvants organiques (typiquement LiPF6 + EC/DEC), qui s’oxyde autour de 4.2 V vs. Li+/Li , . L’utilisation du lithium métallique comme électrode négative est entravée par la nature liquide de l’électrolyte conventionnel, qui n’offre pas assez de résistance mécanique pour empêcher la formation de dendrites de lithium, causant à terme le court-circuit de la batterie. De tels courts-circuits présentent un risque d’incendie car les électrolytes liquides sont composés de solvants organiques inflammables à basse température, posant un sérieux problème de sécurité. Les électrolytes solides, de type céramique ou polymères, sont développés en alternative aux électrolytes liquides. Ils ne contiennent aucun solvant inflammable et sont stables à haute température. Ils constituent l’élément clé d’une nouvelle génération de batteries au lithium dite batteries au lithium tout-solide. Ces dernières sont développées pour répondre à des attentes élevées en termes de sécurité, de stabilité et de haute densité d’énergie. Les électrolytes solides doivent satisfaire un certain nombre d'exigences avant de pouvoir être commercialisés, notamment posséder une conductivité ionique élevée, une large fenêtre de stabilité électrochimique et une conductivité électronique négligeable. Ces propriétés constituent les critères les plus importants à prendre en compte pour la sélection de matériaux d’électrolytes solides. Cependant, on remarque dans la littérature que la majorité des études se concentre sur la conductivité ionique des électrolytes solides, reléguant au second plan l’exploration de leurs stabilité électrochimique et conductivité électronique. La fenêtre de stabilité électrochimique a longtemps été annoncée comme étant très large chez les électrolytes solides céramiques (au moins de 0 à 5 V vs. Li+/Li). Néanmoins, des études plus récentes tendent à démontrer que la valeur de cette fenêtre dépend grandement de la méthode électrochimique utilisée pour la mesurer, et qu’elle est de surcroit souvent surestimée. Dans ce contexte, le premier objectif de cette thèse a été de développer une méthode pertinente pour déterminer la fenêtre de stabilité des électrolytes solides avec précision. Cette méthode a été optimisée et validée sur des électrolytes solides céramiques phare comme Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3, Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3 et Li7La3Zr2O12. Quant à la conductivité électronique, elle est rarement étudiée dans les électrolytes solides, qui sont considérés comme isolants électroniques compte tenu de leur large bande interdite. Cela dit, de récentes études à ce sujet prouvent que malgré leur bande interdite, les électrolytes solides peuvent générer de la conductivité électronique par le biais de défauts, et que celle-ci, même faible, peut éventuellement mettre l’électrolyte en échec. Pour cette raison, le second objectif de ce projet de thèse a été d’explorer la formation de défauts dans les électrolytes solides afin de déterminer leur effet sur la génération de conductivité électronique. Pour avoir une vision d’ensemble, les premiers-principes ont été utilisés pour étudier six électrolytes solides largement utilisés notamment LiGe2(PO4)3, LiTi2(PO4)3, Li7La3Zr2O12, et Li3PS4. / Lithium-ion batteries (LIBs) are considered the most promising energy storage technology. LIBs electrode materials have the highest known energy densities, allowing the constant miniaturization of commercial electronic devices. Research in the field of LIBs has more recently turned to their implementation in electric vehicles, which will require higher energy and power densities . A concrete way to increase the energy density of LIBs is to increase the cell voltage. To do so, the new generation of batteries will be composed of high potential positive electrode materials (such as LiMn1.5Ni0.5O4 with a potential of 4.7 V vs. Li+/Li) and metallic lithium in the negative electrode. Nevertheless, the introduction of these high potential positive electrode materials is limited by the electrochemical stability of conventional liquid electrolytes, composed of a lithium salt and organic solvents (LiPF6 + EC/DEC), which gets oxidized around 4.2 V vs. Li+/Li , . The use of metallic lithium as the negative electrode is also hindered by the liquid nature of the conventional electrolyte, which does not offer enough mechanical resistance to prevent the formation of lithium dendrites, ultimately causing a short-circuit of the battery. Such short-circuits are likely to lead to thermal runaway because liquid electrolytes are composed of organic solvents that are flammable at low temperature, posing a serious safety issue. Solid electrolytes, based on ceramics or polymers, are developed as an alternative to liquid electrolytes. They contain no flammable solvents and are stable at high temperatures. They are the key element of a new generation of lithium batteries called all-solid-state lithium batteries. These are developed to meet high expectations in terms of safety, stability and high energy density. Solid electrolytes must satisfy a number of requirements before they can be commercialized, including possessing a high ionic conductivity, a wide electrochemical stability window and negligible electronic conductivity. These properties are the most important criteria to consider when selecting solid electrolyte materials. However, the majority of studies found in the literature focuses on the ionic conductivity of solid electrolytes, overshadowing the exploration of their electrochemical stability and electronic conductivity. The electrochemical stability window has long been reported to be very wide in ceramic solid electrolytes (at least from 0 to 5 V vs. Li+/Li). Nevertheless, more recent studies tend to show that the value of this window depends greatly on the electrochemical method used to measure it, and that it is often overestimated. In this context, the first objective of this thesis was to develop a relevant method to determine the stability window of solid electrolytes with precision. This method was optimized and validated on flagship ceramic solid electrolytes such as Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3, Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3 and Li7La3Zr2O12. As for the electronic conductivity, it is scarcely studied in solid electrolytes, which are considered as electronic insulators given their wide band gaps. That being said, more recent studies on this subject proved that despite their band gap, solid electrolytes can generate electronic conductivity through defects, and that electronic conductivity, even if it is weak, can eventually cause the failure of the electrolyte. For this reason, the second objective of this thesis project was to explore the formation of defects in solid electrolytes in order to determine their effect on the generation of electronic conductivity. To get a better overview, first-principles were used to investigate six widely used ceramic solid electrolytes, including LiGe2(PO4)3, LiTi2(PO4)3, Li7La3Zr2O12, and Li3PS4.

Le travail réalisé dans cette thèse concerne l'optimisation d’électrolytes organiques pour supercondensateur lithium-ion. Plusieurs solvants ont été sélectionnés pour la formulation de mélanges binaires ou ternaires additionnés de sel de lithium. Les propriétés physicochimiques et électrochimiques de ces électrolytes contenant LiTFSI ou LiPF6 (EC/DMC ; dinitrile/DMC ; EC/Ester/3DMC, EC/MiPC/3DMC) ont été caractérisées en vue de leur utilisation dans des dispositifs hybrides, l’objectif étant de satisfaire à la fois aux exigences des matériaux graphite et carbone activé. Les interactions solvant-solvant et solvant-sel des électrolytes ont été étudiées à partir des théories de Jones-Dole, Stocks-Einstein et Bjerrum appliquées aux mesures de viscosités et conductivités. Cela a permis de développer des modèles prédictifs de la conductivité dans des cas de solvants purs ou de mélanges simples. La deuxième partie de cette thèse a été dédiée à la réalisation de demi-cellules avec différentes formulations d'électrolytes à la fois sur carbone activé et sur graphite. Les interfaces électrodes/électrolytes et séparateurs/électrolytes ont été étudiées. La corrosion des collecteurs en Al en présence de LiTFSI a fait l'objet d'une étude qui a permis de dégager une solution consistant en la formulation d'un électrolyte additionné de 1% d'additifs source de fluorure tel que LiPF6. Enfin, des dispositifs complets graphite/carbone activé ont été réalisés en utilisant les différents électrolytes optimisés ce qui a permis de mettre en évidence le gain en énergie (x5) pour un tel système par rapport aux supercondensateurs symétriques classiques. / The objective of this thesis is to broaden the knowledge of electrochemical, thermo physical and thermodynamic properties of different efficient and safe organic electrolytes for Lithium-ion Capacitors (LICs). Several solvent structures have been first selected to design new electrolytes based on binary or ternary solvent mixtures. These solvents were then characterized through conductivity, viscosity and electrochemical studies, in order to assess their structure and properties relationships. Based on this investigation, best compromise between mobility and ionic concentration has been evaluated to formulate the best electrolytes. Generally, it was proved that the addition of solvents with very low viscosity provides efficient electrolytes. Based on conductivity and viscosity measurements, a theoretical study on solvent-solvent and solvent-salt interactions has been then performed using different well-known equations based on Stock-Einstein, Jones-Dole and Bjerrum theories to understand, rationalize, correlate and then predict their transport properties. The second part of the study concentrated on the characterization of selected electrolytes in an asymmetric LIC prior to developing such electrolytes in any high performance asymmetric capacitor devices. In other words, the main objective of this part is to verify the compatibility of designed electrolytes with each element, e.g. electrodes (graphite, activated carbon) and current collectors (aluminum), of a LIC device. To drive such analysis, different experimental investigations between electrodes/electrolytes and between collectors/electolytes were in fact investigated. Using this strategy, asymmetric systems LICs containing a formulated organic electrolyte were fully characterized to deter mine the electrochemical performances of the designed solution in LIC conditions and then compared with those observed using classical electrolyte currently used.

En remplaçant l’électrolyte liquide par un solide, les batteries tout-solide massivessont souvent considérées comme une solution aux problèmes de sécurité desbatteries Li-ion actuelles. La récente découverte du matériau Li10GeP2S12 destructure dite LGPS présentant une conductivité ionique équivalente à celles desélectrolytes liquides a réactivé ce domaine de recherche.Dans cette optique, nous avons étudié les matériaux Li10MP2S12 (M=Sn, Si) destructure LGPS, au moyen de diverses caractérisations structurales (DRX,RMN du 31P, spectroscopie Mössbauer …), de propriétés de mobilité/conductionionique (RMN du 7Li, spectroscopie d’impédance) et de propriétés électrochimiques(voltammétrie cyclique, cyclage galvanostatique).Les échantillons commerciaux de Li10SnP2S12 contiennent des impuretés et uneincertitude subsiste sur la composition de la phase de structure LGPS. Lamodélisation des déplacements de RMN du 31P a notamment permis de mettre enévidence l’influence des lithium en site octaédrique adjacents. Les mesuresd’impédance suggèrent une réactivité avec le Li métallique et la voltammétrieconfirme que cette phase est très instable à bas potentiel, excluant son utilisation entant que simple électrolyte dans une batterie tout-solide. Nous proposons qu’il puisseêtre utilisé à la fois comme électrolyte et comme matériau de négative.L’étude préliminaire des matériaux au silicium souligne la difficulté d’obtention dematériau pur de structure LGPS, et conduit à la mise en cause du modèle structuraldit thio-LiSICON. Par ailleurs, elle montre là encore l’instabilité de ces matériauxface au lithium métal. / By replacing the liquid electrolyte by a solid one, solid state batteries are oftenconsidered as a solution to safety issues in current Li-ion batteries. The recentdiscovery of Li10GeP2S12 with so-called LGPS structure, which exhibits an ionicconductivity equivalent to that of liquid electrolytes, has boosted related researchactivities.In this perspective, we studied the Li10MP2S12 (M=Sn, Si) materials with LGPSstructure, using various methods to characterize the structure (XRD, 31P NMR,Mössbauer spectroscopy …), the ionic mobility/conductivity (7Li NMR, Impedancespectroscopy), and the electrochemical properties (cycling voltammetry,galvanostatic cycling) of the material.Commercially available Li10SnP2S12 batches contain impurities and there remains anambiguity in the actual composition of the LGPS type phase. Modelling of the 31PNMR shifts reveals the effect of lithium in neighboring octahedral sites. Impedencemeasurements suggest reactivity with Li metal, and cyclic voltammetry confirms thatthe material is highly unstable at low potential, which excludes its use as a simpleelectrolyte in solid state batteries. We propose that it might be used both as anelectrolyte and as a negative electrode.The preliminary study on silicon based materials highlights difficulties in obtaining apure LGPS-type compound and questions the real nature of the so-calledthio-LiSICON structural model. Besides, it also shows the instability of thesematerials versus lithium metal.