La société fait face à des défis tels que le réchauffement climatique et la diminution des ressources. Ils sont intimement liés à l’énergie et à son stockage, dont les batteries Li-ion sont à ce jour la technologie la plus utilisée. L’amélioration de la densité d’énergie et la sécurité, ainsi que la réduction des éléments toxiques, rares et coûteux sont recherchées. Durant cette étude, les électrodes positives basées sur des matériaux polyanioniques silicates sont considérées pour répondre à ces demandes. Deux composés sont particulièrement étudiés, Li2MnSiO4, dont la capacité spécifique est supérieure à 300mAh.g-1 et LiMnSiO4, de structure olivine, encore jamais répertorié, dont la capacité (174mAh.g-1) et le potentiel (>3.7V) théoriques sont prometteurs.Dans un premier volet, un nanomatériau Li2MnSiO4/C est synthétisé par voie sol-gel. Ses propriétés électrochimiques et structurales sont étudiées. Les différents phénomènes de dégradation observés sont discutés par la suite. Une stratégie de dopage est proposée pour limiter la perte de capacité en cyclage par stabilisation de la structure via le composé Li2-xMn1+xAlxSi1-xO4/C. Enfin l’influence du stockage à l’air de Li2MnSiO4/C est mise en évidence et un mécanisme concernant la formation de Li2CO3 est proposé.En seconde partie, une synthèse de LiMnSiO4/C en plusieurs étapes est proposée à partir de l’olivine MgMnSiO4/C, suivie d’une oxydation chimique et d’une lithiation électrochimique. Chaque étape est caractérisée pour déterminer la structure, l’état d’oxydation et le comportement électrochimique du matériau obtenu.Pour conclure cette étude, les deux matériaux optimisés ont été testés suivant les profils d’applications spatiales (satellites LEO et GEO). La meilleure cyclablité de LiMnSiO4/C est confirmée ainsi que sa légitimité en tant qu’alternative prometteuse au matériau conventionnel Li2MnSiO4/C. / The society is currently facing challenges such as global warming and rarefaction of resources. These issues have a factor in common, energy and more specifically its storage, for which lithium-ion batteries are today the state-of-the-art technology. Researchers and industries are focusing on the increase of energy density and safety and the reduction of toxic, costly and rare elements. In this study, positive electrodes based on silicate polyanionic materials are considered to fulfill these requirements. Two materials are studied, Li2MnSiO4 that exhibits appealing large capacity (>300mAh.g-1) and an unreported LiMnSiO4 with olivine structure that would have medium capacity (174 mAh.g-1) but associated with a high voltage (>3.7V).In a first part, a nanocomposite material Li2MnSiO4/C is synthesized by sol-gel route. Its electrochemical and structural properties are studied. The different degradation phenomena are discussed thereafter. Al-doped and Mn-rich Li2-xMn1+xAlxSi1-xO4/C is also proposed to lower the structural collapse during cycling. Finally the impact of its storage in air is assessed and a mechanism is proposed to explain the formation of Li2CO3.In a second part, a multistep synthesis is designed starting from olivine MgMnSiO4/C, followed by chemical oxidation and electrochemical lithiation to obtain LiMnSiO4/C. Each step is characterized to assess the structure, oxidation degree and electrochemical behavior of the final material.Finally, the testing of the two materials for space applications (LEO and GEO satellites profiles) confirms the better cyclability of LiMnSiO4/C and its validity as promising alternative to the conventional unstable Li2MnSiO4 compound

L’objectif du travail décrit dans cette thèse est de développer des batteries Li-ion peu coûteuses, respectueuses de l’environnement, facilement industrialisables et recyclables, tout en utilisant des fibres cellulosiques et un procédé en milieu aqueux. Deux approches ont été adoptées pendant ce travail expérimental. Dans un premier temps, les microfibrilles de cellulose ont été utilisées pour la production d’anodes par un procédé de casting. Puis, une approche papetière a été adoptée. La plupart des travaux expérimentaux se sont focalisés sur l’utilisation de fibres de cellulose pour la production d’électrodes papier (anodes et cathodes) et de séparateurs-papier par procédé de filtration en milieu aqueux pour obtenir des cellules complètes à base de cellulose. Les électrodes obtenues sont homogènes, souples et leurs propriétés électrochimiques comparables à celles d’électrodes de références utilisant un polymère de synthèse comme liant. / This work investigates the production of low cost, low environmental impact, easily up-scalable and recyclable cellulose-based Li-ion batteries. Two main research approaches were explored. At first, microfibrillated cellulose was used for the production of paper-like anodes by means of a water-based casting process.Then, a papermaking approach was adopted and the majority of the experimental work was focused on the use of cellulose fibers for the production of paper-electrodes (i.e. anodes and cathodes) and paper-separators by means of a water-based filtration process.The prepared electrodes are easy to handle and self-standing with good electrochemical characteristics, comparable with that of standard synthetic polymer-bonded electrodes.

Le silicium est un matériau étudié depuis plusieurs années comme une sérieuse alternative au graphite dans les batteries Li-ion. Ce travail de thèse vise à développer des approches alternatives et complémentaires à celles déjà existantes afin de mieux comprendre les mécanismes de lithiation et de dégradation. L'analyse croisée entre plusieurs techniques, principalement FIB-ToF-SIMS, Auger, XPS et FIB-MEB, point central de l'étude, nécessite la mise en place de protocoles spécifiques prenant en compte la forte réactivité des échantillons lithiés. En premier lieu, un couplage entre ToF-SIMS et XPS sur des couches minces de silicium, permet de mettre en évidence la présence d'une phase riche en lithium ségrégée à l'interface entre la couche de matériau actif et le collecteur de courant en cuivre. Un mécanisme particulier de lithiation du silicium, basé sur l'existence de chemins de diffusion rapide pour le lithium, est suggéré. La réalisation de coupes FIB effectuées in situ dans la chambre d'analyse du ToF-SIMS sur des électrodes à base de poudre micrométrique de Si permet ensuite de proposer un mécanisme de lithiation analogue à celui mis en évidence précédemment. En outre, la présence de grains déconnectés du réseau percolant de l'électrode au cours du cyclage et piégeant le lithium est mise en évidence et contribue à la défaillance rapide de la batterie. Enfin, la méthodologie développée est appliquée à l'étude d'électrodes composées de Si nanométrique et de composite Si/C. Elle participe à l'établissement d'un modèle de croissance de SEI à la surface de grains de silicium nanométriques et permet d'identifier les raisons de la défaillance de ces électrodes. / Silicon is a serious option to replace graphite in anodes for Li-ion batteries since it offers a specific capacity almost ten times higher. However, silicon anodes suffer from a drastic capacity fading, making it unusable after a few cycles. The work presented here aims at the development of new alternative and complementary approaches to those currently used, in order to better understand lithiation and degradation mechanisms. These methods are based on cross-analysis between several surface characterizations techniques, including FIB-ToF-SIMS, AES, XPS and FIB-MEB, which require specific procedures to deal with the extreme sensitivity of lithiated materials. Coupling XPS and ToF-SIMS on silicon thin films revealed the presence of a Li-rich phase segregated at the interface between silicon and Cu current collector. A mechanism based on fast diffusion paths for lithium is suggested. In situ FIB milling, performed in the analysis chamber of the ToF-SIMS on anodes using micrometer-sized silicon particles, revealed a similar mechanism involving fast diffusion paths for lithium. Additional TEM observations suggest that, in the case of micrometer-sized particles, these paths result from sub-grain boundaries. Additionally, the presence of Li trapped in Si particles which are disconnected from the conductive grid along cycling is shown, contributing to the poor battery lifespan. Finally, the developed method has been applied to electrodes based on nanometer-sized Si particles and Si/C composite. Despite of the small size of the involved particles, it is possible to get information about SEI growth on the surface of nano-sized silicon particles and to identify causes of failure.

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

The aim of this work is to describe final properties of the electrodes based on the amount of pressure used during its production. In the theoretical part of this work, secondary electrochemical accumulators are described, with the focus on Li-ion accumulators. In the main part of this work, the production of Li-ion accumulators, with usage of different pressures during its production is described. In the final part of this work, the examination of these created cells for the classification of the optimal production pressure is described.

Nanofibrous separators use in lithium-ion batteries brings many advantages. In contrast to contemporary used commercial separators, nanofibrous ones exhibit higher temperature resistance,ionic conductivity and higher electrolyte uptake. Better ionic conductivity is ensured by porous structure and large specific surface. Fibers creates channels for the ionic species motion. Amorphous texture of nanofibers allows quick lithium ionic species motion within the polymeric matrix of separator. Furthermore, these separators exhibit higher volume of uptaken electrolyte. Further advantage of electrospinned nanofibrous separators are both high porosity and chemical stability.

This diploma thesis focuses on study of positive electrode materials for Li-Ion batteries. Our aim are intercalation materials whose are really perspective materials whose are widely used in this case. The theoretical part of my thesis focus on basic study of Li-ion batteries and their parameters. We studied charging and discharging processes. AFM and SEM were used as additional techniques for study LiCoO2 a Li0,975K0,025CoO2. We tested lifetime and stability of electrode as a perspective material for electrode for Li-ion batteries.

Les accumulateurs commerciaux à base de lithium-ion (LIB) utilisent des matériaux à base de carbone (graphite) comme électrode négative; cependant, la technologie atteint sa limite en raison de la faible capacité spécifique théorique. L'objectif de cette thèse est d'étudier le comportement électrochimique de trois nouvelles anodes à haute capacité (SnSb microsturé, Ti3SiC2 anodisé et nanotubes de Si poreux) comme alternatives au graphite, d'identifier les principaux paramètres responsables de la perte de capacité et de proposer une solution commune pour améliorer leurs performances électrochimiques. Ces matériaux d'électrode présentent une bonne performance électrochimique qui les rend prometteurs pour remplacer le carbone en tant qu'électrode négative pour batteries au Li-ion. Cependant, ils présentent une perte de capacité initiale importante qui doit être résolue avant la commercialisation. Les limitations observées sont attribuées à de nombreux facteurs, et en particulier à la formation et la croissance d’une SEI à la surface des matériaux. En raison de la forte perte de la capacité et du manque d’études détaillées sur les matériaux à base d’étain, en particulier le SnSb, nous avons concentré la suite du travail à la formation et la croissance de la SEI sur cette électrode négative. L'évolution des propriétés électriques, de la composition chimique et de la morphologie du SnSb microstructuré a été étudiée en détail pour comprendre son comportement électrochimique. Pour limiter l’effet de la SEI, nous avons proposé d’appliquer un film protecteur à la surface de l'électrode. / Currently, commercial lithium ion batteries (LIBs) use carbon based materials as negative electrode; however the technology is reaching its limit because of the low theoretical specific capacity. The objective of this thesis is to study the electrochemical behaviour of three different new high capacity anodes (SnSb alloy, anodized Ti3SiC2, and Si nanotubes) as alternative to graphite, identify the main parameters responsible for the capacity fading, and propose a versatile solution to improve their electrochemical performance. These electrode materials exhibit good electrochemical performance which makes them promising candidates to replace carbon as a negative electrode for LIBs. However, their limitation due to capacity fading and the large initial irreversible capacity loss must be resolved before commercialization. The observed limitations are attributed to many factors, and particularly, to the formation and growth of SEI layer which is the common factor for all the three electrode materials. Because of the strong capacity fade and lack of many detailed studies on the Sn-based materials, specifically SnSb, we focus our study to investigate the formation and growth of SEI layer on SnSb electrode. The evolution of the electrical, compositional, and morphological properties have been investigated in detail to understand the electrochemical behavior of micron-sized SnSb. To limit the capacity fade, we propose the use of a protective film on the electrode surface. The electrochemical performance of micron-sized SnSb electrode coated with thermoplastic elastomer protective film, namely poly(styrene-b-2-hydroxyethyl acrylate) PS-b-PHEA has been achieved.

Recent experiments revealed micrometer (µm)-sized Selenium (Se)-doped Germanium (Ge) particles forming a network of inactive phase (Li-Ge-Se) bring superior performance in cycling stability and capacity over un-doped Ge particles. Therefore, based on two states of Li (one for diffusion and another for alloyed reaction), a phaseield model (PFM) is developed incorporating both chemical reaction and Li diffusion to investigate remaining elusive underpinning mechanism. The reaction-diffusion PFM enables us to directly determine the conditions under which the lithiation process is diffusion- and/or reaction-controlled. Moreover, coupling the elasto-plastic deformation, the model allows us to investigate the role of the inactive phase in morphology and stress variation of Se-doped Ge electrode upon lithiation. The numerical results reveal that the tensile hoop stress at the surface of the particles is significantly suppressed due to softness of the inactive Li-Ge-Se phase, in line with the experimental observation of surface fractureree behavior. Further, we find that the soft Li-Ge-Se phase reduces a compressive mean stress at the reaction front, thus alleviating the stress retardation effect on the lithiation kinetics. And, the high Li diffusivity of the amorphous Li-Ge-Se network provides an effective Li diffusion path for inter-particle diffusion, reducing stress difference between the surfaces of neighboring particles. Besides, the constraint between the adjacent particles induces a higher compressive stress at the reaction front impeding the mobile Li insertion during lithiation. Though small c-Ge nano-particle in the Ge0.9Se0.1 microparticle is lithiated faster than large one, the compressive stress is generated at the center of small one for stress equilibrium which causes more retardation effect. Meanwhile, the size difference between adjacent particles increases the principle and shear stresses in the inactive Li-Ge-Se network near adjacent surfaces, which could potentially lead to mechanical failure and debonding of the amorphous network. We believe that the results of this investigation can shed some light on the optimization design of electrodes.

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