Li-ion batteries have a huge potential for use in electrification of the transportation sector. The major challenge to be met is the limited energy storage capacity of the battery pack: both the amount of energy which can be stored within the space available in the vehicle (defining its range), and the aging of the individual battery cells (determining how long a whole pack can deliver sufficient energy and power to drive the vehicle). This thesis aims to increase our knowledge and understanding of structural changes induced by aging and usage of the Li-ion battery materials involved. Aging processes have been studied in commercial-size Li-ion cells with two different chemistries. LiFePO4/graphite cells were aged under different conditions, and thereafter examined at different points along the electrodes by post mortem characterisation using SEM, XPS, XRD and electrochemical characterization in half-cells. The results revealed large differences in degradation behaviour under different aging conditions and in different regions of the same cell. The aging of LiMn2O4-LiCoO2/Li4Ti5O12 cells was studied under two different aging conditions. Post mortem analysis revealed a high degree of Mn/Co mixing within individual particles of the LiMn2O4-LiCoO2 composite electrode. Structural changes induced by lithium insertion were studied in two negative electrode materials: in Li0.5Ni0.25TiOPO4 using in situ XRD, and in Ni0.5TiOPO4 using EXAFS, XANES and HAXPES. It was shown that Li0.5Ni0.25TiOPO4 lost most of its long-range-order during lithiation, and that both Ni and Ti were involved in the charge compensation mechanism during lithiation/delithiation of Ni0.5TiOPO4, with small clusters of metal-like Ni forming during lithiation. Finally, in situ XRD studies were also made of the reaction pathways to form LiFeSO4F from two sets of reactants: either FeSO4·H2O and LiF, or Li2SO4 and FeF2. During the heat treatment, Li2SO4 and FeF2 react to form FeSO4·H2O and LiF in a first step. In a second step LiFeSO4F is formed. This underlines the importance of the structural similarities between LiFeSO4F and FeSO4·H2O in the formation process of LiFeSO4F.

Parmi les différentes micro-sources d'énergie, les microbatteries tout solide au lithium sont de bons candidats pour l’alimentation de systèmes miniaturisés. Ce travail de thèse a consisté à développer et à optimiser le procédé de synthèse par pulvérisation cathodique magnétron d’électrodes en couches minces de type Si1-xGex, dont les propriétés physiques ont été mises en relation avec les performances électrochimiques. Malgré d’importantes variations volumiques de l’électrode, une étude a permis de montrer la faisabilité d’une intégration de ces couches minces dans des microbatteries tout solide de type Si1-xGex /LiPONB/Li compatible avec le solder-reflow. Avec ce type d’empilement, une capacité spécifique élevée de 40 µAh/cm² a été maintenue sur plus de 1500 cycles sous 100 µA/cm². Diverses propositions ont été envisagées afin d’accroître la cyclabilité de ces dispositifs et de permettre la réalisation de microaccumulateurs Li-ion pour des applications en microélectronique. / Abstract

Cette étude s’inscrit dans le cadre de la recherche de nouveaux matériaux anodiques à forte capacité pour accumulateurs à ion lithium. Il y est décrit, la synthèse de systèmes graphite-étain obtenus par réduction, en présence de graphite à des taux variables, des chlorures d’étain SnCl2 et SnCl4, par les hydrures alcalins NaH et LiH activés par un alcoolate. Les nanomatériaux préparés présentent des capacités réversibles stables en cyclage, assez proches de celles calculées à partir des teneurs en métal déterminées par analyse élémentaire. Cependant, on peut noter des différences importantes entre les valeurs et l’évolution en cyclage des capacités irréversibles selon l’hydrure ou le mélange d’hydrure utilisé(s). Avec l’hydrure de sodium NaH, la capacité irréversible, très élevée au premier cycle, s’annule pratiquement dès le deuxième cycle ; avec l’hydrure de lithium LiH, cette capacité irréversible, bien que plus faible au premier cycle, donne une valeur résiduelle récurrente aux cycles suivants. Il a finalement été montré que l’utilisation du mélange des deux hydrures NaH/LiH permet de préserver les avantages des deux systèmes précédents et d’obtenir des matériaux combinant de manière synergique leurs propriétés. / This study is devoted to the development of new anodic materials with high capacities for lithium-ion batteries. The synthesis of graphite-tin systems obtained by reduction, in the presence of graphite at various rates, of the tin Chlorides SnCl2 and SnCl4, by the alkoxide-activated alkaline hydrides ( sodium hydride or lithium hydride) is described. The nanomaterials prepared have stable reversible capacities in cycling, close to those calculated from the amounts of metal given by elemental analysis. However, important differences between the values and the evolution in cycling of the irreversible capacities depending on the hydride or the mixture of hydride used were observed. With sodium hydride, the irreversible capacity, very high during the first cycle, is practically cancelled at the second cycle; with lithium hydride, this irreversible capacity, although lower to the first cycle, gives a recurring residual value at the following cycles. The use of the NaH/LiH allowed to preserve the advantages of the two preceding systems and to synergistically combine their properties.

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Le travail de thèse présenté dans ce mémoire, est consacré à l'étude des interactions interfaciales entre une espèce active électrochimiquement (l'étain) et une matrice (le borophosphate) capable d'absorber les variations volumiques dues à la formation électrochimique des diverses compositions Li-Sn (« buffer »). L'objectif de cette étude est de comprendre la nature des réactions ayant lieu avec l'introduction du Li dans le matériau composite. Pour cela, nous avons réalisé une étude détaillée d'un composite de référence mis au point dans des études précédentes Sn-0,4 BPO4 ; nous avons évalué l'influence du type de matrice et de la voie de synthèse sur son comportement global. Le matériau composite a pu être décrit comme possédant une interface vitreuse contenant de l'étain oxydé (SnII) qui lui donne la structuration suivante : Elément actif Sn0(1-w)/SnIIwBxPyOz/BPO4 Phase support Interphase. Des études in situ operando complémentaires en diffraction des rayons X et spectrométrie Mößbauer ont permis d'analyser le comportement électrochimique du matériau composite : un premier processus correspond à l'extrusion d'une petite partie d'étain métallique de la zone interfaciale qui augmente la conductivité électronique du composite ; il est suivi par une réorganisation de l'interface avec extrusion de tout le contenu en étain et la formation des premières compositions Li-Sn. Enfin, le cyclage galvanostatique se poursuit grâce à la formation de plusieurs compositions Li-Sn riches en étain (Li2Sn5 et LiSn) et puis enrichies en lithium (Li13Sn5 et Li7Sn2). / The Phd work, presented in this manuscript, is devoted to the study of the interface interactions between an electroactive species (tin) and a matrix (borophosphate). The latter has a buffer role and is thus able to absorb the volume variations taking place during the Li-Sn electrochemical reaction.The aim of this study is to understand the nature of the reactions occurring during lithium introduction in the composite. In order to do that, a detailed study of a previously studied reference composite (Sn-0,4 BPO4) has been undertaken. The effect of some modified matrixes as well as the synthesis route has also been evaluated. The composite material can be described as having a glassy interface containing some oxidized tin (SnII) which leads to the following global structure: Active element Sn0(1-w)/SnIIwBxPyOz/BPO4 Buffering phase Interphase. A complementary in situ operando study (X-ray diffraction and Mößbauer spectroscopy) gave the possibility to analyze the electrochemical behavior of the material. A first process corresponds to a small tin extrusion from the interfacial zone. This contributes to the increase of the electrical conductivity of the composite material which is followed by the interphase reorganization with the extrusion of the whole tin content. Li-Sn reactions take place then, with the galvanostatic cycling going on between the tin rich compositions (Li2Sn5 and LiSn) and the lithium rich ones (Li13Sn5 and Li7Sn2).

Lors du fonctionnement des batteries Li-ion, la dégradation progressive de l’électrolyte engendre la génération des gaz qui sont à l’origine du phénomène des surpressions dans ces dispositifs, et a pour conséquence des problèmes de sécurité. Cette thèse aborde l’étude de la solubilité des gaz issus des réactions de dégradation des électrolytes tels que le CO2, CH4, ou encore C2H4 dans plusieurs systèmes simples (solvants purs) ou complexes (mélanges binaires, ternaires et quaternaires avec sel de lithium), en fonction de la température, de la structure des solvants et des sels, ainsi que de leurs concentrations en solution. A cet effet, nous avons mesuré préalablement les propriétés volumétriques, de transport, ainsi que les pressions de vapeur des électrolytes formulés en fonction de la composition et de la température. / The performance and the safety of a lithium-ion battery depend to a great extent on the stability of the electrolyte solution, because the high voltage of the battery may cause the decomposition of lithium salt or organic solvents, which limits then the battery lifetime. During these degradations, several gases are, generally, generated like the CO2, CO, CH4 and C2H4, which induce in fact several problems related to the pressure increase inside the sealed cell. The main objective of this PhD thesis is to understand the key thermodynamic parameters which drive the gas dissolution in classical solvents and electrolytes. For that, several pure solvents and electrolytes have been firstly investigated to determine their volumetric and transport properties, as well as, their vapour pressure as the function of temperature and composition.

L’accroissement des performances des accumulateurs Li-ion sur les 25 dernières années découle principalement de l’optimisation de leurs composants inactifs. Aujourd’hui, l’urgence environnementale impose de développer de nouveaux matériaux actifs d’électrode pour proposer la prochaine génération d’accumulateur qui participera à la transition énergétique. A cet effet, le silicium pourrait avantageusement remplacer le graphite des électrodes négatives à moyen terme. Cependant la rétention de capacité des électrodes de silicium est mise à mal par l’expansion volumique que le matériau subit lors sa réaction d’alliage avec le lithium, qui mène à la déconnexion des particules de Si et à une réduction continue de l’électrolyte. Une compréhension de ces phénomènes de vieillissement à l’échelle de la nanoparticule est nécessaire à la conception d’électrodes de silicium viables. Pour ce faire, la technique STEM-EELS a été optimisée de manière à s’affranchir des problèmes d’irradiation qui empêchent l’analyse des matériaux légers d’électrode négative et de la Solid electrolyte interface (SEI), grâce à l’analyse des pertes faibles EELS. Un puissant outil de cartographie de phase est obtenu et utilisé pour mettre en lumière la lithiation cœur-coquille initiale des nanoparticules de silicium cristallin, la morphologie hétérogène et la composition de la SEI, ainsi que la dégradation du silicium à l’issue de cyclages prolongés. Enfin, un modèle de vieillissement original est proposé, en s’appuyant notamment sur un effort de quantification des mesures STEM-EELS sur un grand nombre de nanoparticules. / Over the last 25 years, the performance increase of lithium-ion batteries has been largely driven by the optimization of inactive components. With today’s environmental concerns, the pressure for more cost-effective and energy-dense batteries is enormous and new active materials should be developed to meet those challenges. Silicon’s great theoretical capacity makes it a promising candidate to replace graphite in negative electrodes in the mid-term. So far, Si-based electrodes have however suffered from the colossal volume changes silicon undergoes through its alloying reaction with Li. Si particles will be disconnected from the electrode’s percolating network and the solid electrolyte interface (SEI) continuously grows, causing poor capacity retention. A thorough understanding of both these phenomena, down to the scale of a single silicon nanoparticle (SiNP), is critical to the rational engineering of efficient Si-based electrodes. To this effect, we have developed STEM-EELS into a powerful and versatile toolbox for the study of sensitive materials and heterogeneous systems. Using the low-loss part of the EEL spectrum allows us to overcome the classical limitations of the technique.This is put to use to elucidate the first lithiation mechanism of crystalline SiNPs, revealing Li1.5Si @ Si core-shells which greatly differs from that of microparticles, and propose a comprehensive model to explain this size effect. The implications of that model regarding the stress that develops in the crystalline core of SiNPs are then challenged via stress measurements at the particle scale (nanobeam precession electron diffraction) for the first time, and reveal enormous compressions in excess of 4±2 GPa. Regarding the SEI, the phase-mapping capabilities of STEM-EELS are leveraged to outline the morphology of inorganic and organic components. We show that the latter contracts during electrode discharge in what is referred to as SEI breathing. As electrodes age, disconnection causes a diminishing number of SiNPs to bear the full capacity of the electrode. Overlithiated particles will in turn suffer from larger volumes changes and cause further disconnection in a self-reinforcing detrimental effect. Under extreme conditions, we show that SiNPs even spontaneously turn into a network of thin silicon filaments. Thus an increased active surface will compound the reduction of the electrolyte and the accumulation of the SEI. This can be quantified by summing and averaging STEM-EELS data on 1104 particles. In half-cells, the SEI volume is shown to increase 4-fold after 100 cycles without significant changes in its composition, whereas in full cells the limited lithiation performance understandably leads to a mere 2-fold growth. In addition, as the operating potential of the silicon electrodes increases in full cells – potential slippage – organic products in the SEI switch from being carbonate-rich to oligomer-rich. Finally, we regroup these findings into an extensive aging model of our own, based on both local STEM-EELS analyses and the macro-scale gradients we derived from them as a whole.

Les batteries lithium-ion sont présentes dans de nombreuses applications portables ou embarquées car leurs énergies massique et volumique et leur cyclabilité les placent en tête des autres technologies de stockage. Cependant, elles ne résistent pas aux fonctionnements abusifs et peuvent subir des emballements thermiques avec risque d’explosion. Par ailleurs, l’état des composants internes évoluant au cours du vieillissement de la batterie, son comportement en sécurité doit être considéré pour n'importe quel état de santé afin de mieux concevoir la gestion thermique des cellules et du pack batterie. Dans ce contexte, il est donc primordial de comprendre les mécanismes de dégradation de l’ensemble des composants internes d’un élément (matériaux d'électrodes, collecteurs, séparateur et électrolyte) lors d’un vieillissement en fonctionnement normal et le déroulement des évènements en conditions abusives pouvant aboutir à un scénario accidentel.Le séparateur doit alors être considéré comme le premier dispositif de sécurité intrinsèque car il assure la séparation physique entre l’électrode positive et négative. Il doit alors être étudié sur le plan de ses propriétés électrochimiques, mécaniques et thermiques. Pour cela, une méthodologie de caractérisation a été développée, mettant en œuvre un large panel de techniques de caractérisation physique et chimique, et appliquée sur des séparateurs issus de vieillissements en conditions normales et après surcharge. Différentes méthodes de lavage ont permis de discréditer l’évolution morphologique et électrochimique du polymère poreux sans l’interaction des résidus solides associées aux produits de dégradation de l’électrolyte. Ainsi, la porosité et la tortuosité de la matrice polymère, associées à la conductivité ionique du système séparateur/électrolyte, ont été pleinement étudiées.Il a pu être montré que, en accord avec la croissance de la SEI sur l’électrode négative graphite, sa porosité de surface se dégrade avec un encrassement des pores par accumulation de composés solides de la SEI. Aucune conséquence sur les propriétés mécaniques n’a été observée, mais les performances électrochimiques en puissance se dégradent fortement. Une évaluation face aux risques de court-circuit interne par percée dendritique a permis de montrer que la formation de dendrite est favorisée. Le séparateur en tant qu’organe de sécurité face aux risques mécaniques garde donc son efficacité tout au long de la vie de la batterie lithium-ion mais le risque de court-circuit est plus élevé. / Lithium-ion batteries have undeniable assets to meet several of the requirements for embedded applications. They provide high energy density and long cycle life. Nevertheless, they can face irreversible damage during their lives which could cause safety issues like the thermal runaway of the battery and its explosion. It is then essential to understand the degradation mechanisms of all the internal components of an accumulator (i.e. electrode materials, collectors, separator and electrolyte) and the progress of events in abusive conditions that can lead to an accident scenario. The aim of this thesis is to work on the security aspects of Lithium-ion batteries in order to understand these degradation mechanisms and to help to prevent future incidents.Even if the degradation mechanisms of all the internal components are studied in this work, a special attention is given to the separator. This component is indeed one of the most important safety devices of a battery and have to be electrochemically, mechanically and thermally characterized after ageing. Different washing methods have been study in order to characterize the separator without any degradation product of the electrolyte which could interfere. Porosity and tortuosity associated with the ionic conductivity of the separator have been tested.The results show that even if the separator is electrochemically inactive, its porosity can decrease because of the degradation of the negative graphite electrode. Indeed, SEI components obstruct the surface porosity of the separator. This porosity change do not cause any mechanical degradation but decrease separator performances at high current rate and promote lithium dendrite growth.

Ce travail de thèse, débuté en 2015, a pour but de développer et d'étudier les propriétés de nouveaux liants polymères pour batteries Li-ion. Les synthèses organiques ainsi que leurs caractérisations associées et les tests électrochimiques ont été réalisées à Delft. Puis, des études de spectroscopie photo-électronique par rayons X (XPS) ont été réalisées à Pau pour déterminer et comprendre la réactivité de certain de ces nouveaux matériaux vis-à-vis du lithium. / This PhD work started in 2015, aimed to develop and investigate the properties of new polymers as binders for Li-ion batteries. Organic syntheses with associated characterizations and electrochemical tests were performed in Delft. Then, X-ray photoelectron spectroscopy studies were performed in Pau, to determine and understand the reactivity of some of these new materials toward lithium ions in coin cells.

L'utilisation d'un électrolyte aqueux pour la technologie Li-ion devrait permettre des performances en termes de puissance et de coût tout en garantissant une sécurité de fonctionnement et un impact neutre vis-à-vis de l'environnement. Cette technologie utilise des composés d'insertion du lithium fonctionnant habituellement en milieu organique dont le choix doit être adapté à un électrolyte aqueux, présentant une fenêtre de stabilité électrochimique réduite. Le travail de thèse porte dans un premier temps sur la sélection des différents éléments constituant un accumulateur Li-ion aqueux: choix de l'électrolyte, des collecteurs de courant, des liants d'électrode et des matériaux d'électrode. Les performances électrochimiques en milieu aqueux de différents composés d'insertion du lithium ont été évaluées. Afin d'augmenter la fenêtre de stabilité électrochimique de l'électrolyte aqueux, la passivation des électrodes par réduction de sels de diazonium a été réalisée. L'influence de la nature des sels de diazonium et de l'épaisseur des films sur les performances électrochimiques des électrodes a été évaluée par diverses techniques, voltampérométrie et impédance électrochimique. Les résultats obtenus montrent l'impact positif des dépôts obtenus vis-à-vis de l'augmentation de la surtension de réduction de l'eau. Ces travaux ouvrent la voie à des perspectives prometteuses sur cette technologie Li-Ion aqueuse. / The use of aqueous electrolytes should permit to improve power performances and decrease significantly the battery cost. Moreover, these kind of electrolytes guarantee a safely use with reduced consequence on the environment. This technology use active materials enable to inserted and deinserted lithium ion. But the choice of lithium insertion compounds was guided and limited by the water electrochemical stability. We selected each component of the Li-ion cell which could be used in aqueous electrolyte; the lithium salt, the binder and the active material. The electrochemical performances of several active materials in aqueous electrolyte were evaluated. In order to increase the Li-ion cell tension, a passive film was form on the electrode surface by diazonium salt reduction. Influence of molecule design and film thickness were studied by voltammetry and electrochemical impedance spectroscopy. The results clearly show the interest of the formation of these films for lowering the reduction potential of water on glassy carbon and practical Li-ion electrode. This study opens very promising route for the aqueous lithium batteries.