Materiais auto-organizados constituídos de V2O5 xerogel, poli(etilenoimina) (PEI) e nanopartículas de carbono (NpCs) foram obtidos por meio da técnica camada-por-camada (LbL). A metodologia aplicada permitiu a obtenção de filmes finos com elevado controle de espessura além de permitir um crescimento linear dos filmes, denominados neste trabalho V2O5/PEI e V2O5/PEI/NpCs. Além disso, o desempenho eletroquímico dos materiais auto-organizados foi comparado a um eletrodo de V2O5. Análises de FTIR mostraram que interações específicas entre os grupos amina do PEI e os grupos carboxila do V2O5 são responsáveis pelo crescimento do filme. Estas interações permitem a formação de um campo eletrostático capaz de blindar as interações entre os íons lítio e os oxigênios da vanadila (V=O) e, por consequência, são responsáveis pelo aumento na mobilidade iônica dos íons lítio no interior da matriz hospedeira e, portanto, um aumento na capacidade de armazenamento de carga. Resultados obtidos através de medidas de carga/descarga mostram que o V2O5/PEI/NpCs apresenta uma melhor desempenho do que os demais materiais estudados neste trabalho. Estes resultados mostram que a capacidade específica do V2O5/PEI/NpCs foi de 137 mA h g-1 para a menor densidade de corrente aplicada e aproximadamente 1,6 vezes maior do que os valores de capacidade específica para os outros materiais para a maior densidade de corrente aplicada. Além disso, estas medidas permitiram a observação de uma menor variação na razão estequiométrica máxima (xmáx) em função das densidades de corrente aplicadas para os filmes auto-organizados, fato este relacionado a uma maior mobilidade iônica dos íons lítio no interior dessas matrizes. Os resultados obtidos a partir de espectroscopia de impedância eletroquímica (EIS) mostraram que a difusão dos íons lítio no interior das matrizes auto-organizadas é maior do que no caso do V2O5, cujos valores do coeficiente de difusão foram de 1,64 x 10-15, 1,21 x 10-14 e 2,26 x 10-14 cm2 s-1 para os filmes V2O5, V2O5/PEI e V2O5/PEI/NpCs, respectivamente. Sendo assim, o polímero e as NpCs promoveram novos caminhos condutores e permitiram a conexão elétrica entre camadas isoladas da matriz V2O5. Dessa forma, novos nanocompósitos foram obtidos visando demonstrar o método de auto-organização empregado para melhorar o transporte de carga em matrizes hospedeiras. / Self-assembled materials constituted of V2O5 xerogel, poly (ethyleneimine) (PEI), and carbon nanoparticles (CNPs) were obtained by the layer-by-layer (LbL) technique. The applied methodology permitted the obtainment of thin films with high thickness control and also permitted a linear growth of the films, which will be named V2O5/PEI and V2O5/PEI/CNPs. Besides, the electrochemical performance of the self-assembled materials was compared to a V2O5 electrode. FTIR analyses showed that the specific interactions between the amine groups of PEI and the vanadyl groups of the V2O5 are responsible for the film growth. These interactions permitted the formation of an electrostatic shield capable of hindering the interactions between the lithium ions and the vanadyl oxygen atoms (V=O) and are consequently responsible for the enhancement on the ionic mobility of the lithium ions within the host matrix, leading to a higher energy storage capability. Results obtained by the charge/discharge measurements showed that V2O5/PEI/CNPs presents a better performance than the other materials studied for this research. These results demonstrated that the specific capacity of the V2O5/PEI/CNPs was 137 mA h g-1 under the lowest current density applied and approximately 1.6 times higher than the specific capacity values obtained for the other materials under the highest current density applied. Moreover, it was observed that the variation of the maximum stoichiometric ratio (xmax) as a function of the current density is lower for the self-assembled materials than for the V2O5 electrode, which can be related to the higher ionic mobility of the lithium ion within the self-assembled materials. Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) data demonstrated that the diffusion of the lithium ions within the self-assembled materials is higher than within the V2O5 electrode, and the diffusion coefficients were 1.64 x 10-15, 1.21 x 10-14 e 2.26 x 10-14 cm2 s-1 for V2O5, V2O5/PEI and V2O5/PEI/CNPs, respectively. Thus, the polymer and the CNPs provided new conducting pathways and connected isolated V2O5 chains in the host matrix. Therefore, novel spontaneous nanocomposites were formed, aiming to demonstrate the self-assembled method adopted for improving charge transport within host matrices.

En 30 ans, les batteries Li-ion ont littéralement colonisé notre environnement depuis et leur déploiement s’accélère. Puissante, efficace, légère et compacte, cette technologie présente des problèmes de sécurité. C’est pourquoi la plupart de ces batteries sont équipées de systèmes de gestion. Ils nécessitent l’accès à certains états internes qui ne sont pas tous mesurables. Cette thèse se propose d’estimer les variables en question à l’aide d’observateurs non-linéaires. Un observateur permet d’estimer des états inaccessibles à la mesure, à partir des mesures disponibles et d’un modèle mathématique des dynamiques mises en jeu. Les transports électrochimiques à l’œuvre dans les batteries sont responsables de leur comportement. Nous en proposons un modèle électrochimique adapté à l’observation. Celui-ci repose sur la discrétisation spatiale des équations aux dérivées partielles décrivant ces phénomènes et sur une série d’hypothèses. Présenté comme un système sous forme de représentation d’état, les dynamiques sont affines et l’équation de sortie est non-linéaire. Parmi les observateurs de systèmes à sortie non-linéaire dont nous avons connaissance, aucun ne peut s’appliquer directement au modèle proposé. Nous en avons donc développé de nouveaux dont la stabilité est garantie lorsqu’une inégalité matricielle est satisfaite. Nous avons ensuite confronté ces observateurs à des données expérimentales d’éléments commercialisés. Le comportement de l’observateur est encourageant et semble être un bon compromis entre sens physique et complexité numérique / Developed in the nineties, lithium batteries have colonized our environment in less than thirty years and they keep spreading faster and faster. Powerful, efficient, light and compact, this technology remains hazardous. In order to limit the danger and slow the aging of lithium cells, most of such batteries embed a management system. The latter needs to access some internal states, which are not directly measurable. This thesis intends to estimate these variables using a nonlinear observer, which is based on an electrochemical model. The behavior of the battery is driven by the transportation phenomenon of its main electrochemical species. We therefore built a finite dimensional electrochemical model of these adapted to estimation. It relies on the spatial discretization of the partial differential equations, which describe these transportation phenomena. It also formulates some assumptions, such as the fact that an electrode globally behaves like a single particle of its active material. The obtained state space model has affine dynamics and a nonlinear output. Among the existing observers for such systems that we are aware of, none can be applied directly to the developed model. Hence, we developed new ones whose stability is guaranteed provided a linear matrix inequality holds, which is used to construct the observation gain. We then confront these observers to experimental data acquired on commercialized batteries. The obtained results are encouraging and the observer seems to be a fair compromise between physical meaning and numerical complexity

Neste trabalho, foi desenvolvido um material híbrido inédito carvão ativado/nanotubos de carbono/nanopartículas de prata para as aplicações em bateria de íons de lítio e capacitor eletroquímico de dupla camada. O compósito foi preparado por crescimento dos nanotubos de carbono diretamente sobre o carvão ativado via deposição química de vapor e depois nanopartículas de prata foram incorporadas no carvão ativado/nanotubos de carbono. A morfologia do compósito foi analisada por microscopia eletrônica de varredura. Investigação das propriedades de intercalação de lítio no carvão ativado (CA), carvão ativado/nanotubos de carbono (CA/NTC), carvão ativado/prata (CA/Ag) e carvão ativado/nanotubos de carbono/prata (CA/NTC/Ag) foi conduzida por voltametria cíclica e ciclos de carga/descarga, utilizando dois diferentes eletrólitos. Verificou-se que o ânodo de CA/NTC/Ag apresenta mais elevado valor de capacidade específica reversível que a grafita em eletrólito comercial, provavelmente devido à rede tridimensional com elevada condutividade eletrônica formada por nanotubos de carbono e nanopartículas de prata nos poros e nas rugosidades do substrato. Além disso, os nanotubos de carbono podem exibir elevada capacidade de armazenamento de lítio. Outra vantagem do CA/NTC/Ag é que a rede de nanotubos de carbono acomoda a expansão de volume das partículas de prata durante a ciclagem do eletrodo, mantendo-as bem adsorvidas na superfície do CA/NTC. Os resultados confirmaram a existência do sinergismo entre os componentes do CA/NTC/Ag, que promove características eletroquímicas superiores àquelas dos constituintes isolados. / In this work, an unpublished hybrid material activated carbon/carbon nanotubes/silver nanoparticles was developed for lithium ion battery and electrochemical double layer capacitor applications. The composite was prepared by growing carbon nanotubes directly on the activated carbon via chemical vapor deposition and after silver nanoparticles were incorporated on the activated carbon/carbon nanotubes. The composites morphology was analyzed by scanning electron microscopy. Investigation of lithium intercalation properties in activated carbon (AC), activated carbon/carbon nanotubes (AC/CNT), activated carbon/silver (AC/Ag) and activated carbon/carbon nanotubes/silver (AC/CNT/Ag) was carried out by cyclic voltammetry and charge/discharge cycles by making use of two different electrolytes. It was found that the AC/CNT/Ag anode presents higher reversible specific capacity value in comparison with graphite in commercial electrolyte, probably due to the three dimensional network with high electronic conductivity formed by carbon nanotubes and silver nanoparticles in the substrates pores and roughness. Furthermore, carbon nanotubes can exhibit high lithium storage capacity. Another advantage of the AC/CNT/Ag is that the network of carbon nanotubes accommodates volume expansion of the silver particles during electrode cycling, keeping them well adsorbed on the surface of the AC/CNT. The results confirmed the existence of synergism between the components of the AC/CNT/Ag, which promotes electrochemical characteristics that are higher than those of the individual constituents.

La plupart des batteries Li-ion aujourd’hui utilisent des électrolytes à base de LiPF6 un sel de lithium connu pour son instabilité chimique au-delà de 60°C car il se dégrade en libérant PF5 et LiF. En présence de traces d’eau il génère en plus des composés oxyfluorophosphorés et du HF qui peut être dommageable à la fois pour les performances et pour le vieillissement de l’accumulateur. Plusieurs sels sont candidats au remplacement de LiPF6, notamment ceux basés sur les anions fluorosulfonylamidures et les anions de Hückel. Ce travail concerne l’étude des propriétés physico-chimiques et de transport des électrolytes à base de 4,5-dicyano-2- (trifluoromethyl)imidazolide de lithium (LiTDI) et bis(fluorosulfonyl)amidure de lithium (LiFSI) pour une utilisation au sein d’accumulateurs de type Li-ion. Dans ce travail il a d’abord été montré que LiTDI n’est que faiblement dissocié dans les mélanges de carbonates d’alkyles utilisés dans les batteries Li-ion tels que le binaire (EC/DMC) ce qui limite sa conductivité. Pour pouvoir remédier à cet inconvénient, une étude des phénomènes de solvatation et d’associations ioniques a été menée et a conduit à proposer un mélange ternaire de solvants (EC/GBL/MP) dans lequel LiTDI est plus dissocié. Le mélange ternaire proposé améliore à la fois les propriétés de transport et les caractéristiques thermiques de l’électrolyte sans compromettre le domaine de stabilité chimique et électrochimique. Enfin, le nouvel électrolyte EC/GBL/MP contenant LiTDI, a été testé en accumulateurs dans les conditions opératoires usuelles (régime C/10 et température ambiante) et sévères (régime 10C et des températures allant de -20 °C à 60 °C). Le problème de corrosion de l’aluminium de LiFSI a aussi été pris en compte. Un électrolyte prometteur à base d’un mélange LiTDI/LiFSI montrant de meilleures performances que chaque sel utilisé séparément dans EC/DMC a été présenté. Les conclusions de cette thèse prouvent que LiTDI ou LiFSI peuvent être utilisés comme sels de lithium dans les électrolytes pour accumulateurs Li-ion. / Most of the Li-ion batteries used in electrical devices contain a solution of LiPF6 in alkylcarbonate solvents with the risk of releasing PF5 at elevated temperatures and HF in the presence of water. Several salts are candidates for the replacement of LiPF6, including those based on fluorosulfonylamides and Hückel anions. This work concerns the study of physicochemical and transport properties of lithium 4,5-dicyano-2- (trifluoromethyl)imidazolide (LiTDI) and lithium bis(fluorosulfonyl)amide (LiFSI) based electrolytes and their use in Li-ion battery. First it was revealed that LiTDI is only weakly dissociated in alkylcarbonate mixtures used in Li-ion batteries such as EC/DMC limiting its conductivity. To overcome this disadvantage, a study of the solvation phenomena and of ionic association within the electrolytes was conducted. This study led to a ternary mixture of solvents (EC/GBL/MP) in which LiTDI is more dissociated. This new solvent mixture improves both the transport properties and the thermal stability of the LiTDI based electrolyte without compromising its chemical and electrochemical stability. Finally, the new LiTDI in EC/GBL/MP electrolyte was tested in NMC/graphite batteries under normal (C/10 rate and room temperature) and severe (10C rate and temperatures varying from - 20 ° C to 60 °C) operating conditions. The aluminium corrosion problem encountered by LiFSI based electrolytes was taken into account and a LiTDI/LiFSI salt mixture based electrolyte showing promising results was presented. The findings of this thesis show that LiTDI or LiFSI can be used as lithium salts in electrolytes for Li-ion batteries.

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With the ever-advancing technology, there is an incessant need for reliable electrochemical energy storage (EES) components that can provide desired energy and power. At the forefront of EES systems are electrochemical capacitors (ECs), also known as supercapacitors that typically have higher power and superior cycle longevity but lower energy densities than their battery counterparts. One of the routes to achieve higher energy density for ECs is using the hybrid EC configuration, which typically utilizes a redox electrode coupled with a counter double-layer type electrode. In this dissertation, both scale-up (coin-cell type) as well as scale-down (on-chip miniaturized) hybrid ECs were designed, constructed and evaluated. The first part of the dissertation comprised material identification, syntheses, and electrochemical analyses. Lithium titanate-anatase titanium oxide (Li4Ti5O12-TiO2) composites were synthesized via electrostatic spray deposition (ESD) and characterized in both half-cell and full-cell assembly against lithium and nanostructured carbon based counter electrodes, respectively. The second redox type material studied for hybrid electrochemical capacitors was ESD derived manganese oxide (MnOx). The MnOx electrodes exhibited a high gravimetric capacitance of 225F g-1 in aqueous media. Further improvement in the rate handling of the MnOx electrodes was achieved by using CNT additives. The MnOx-CNT composites were tested in full-cell assembly against activated carbon counter electrodes and tested for different anode and cathode mass ratios in order to achieve the best energy-power tradeoff, which was the second major goal of the dissertation. The optimized hybrid capacitor was able to deliver a high specific energy density of 30.3 Wh kg-1 and a maximal power density of 4kW kg-1. The last part of the dissertation focused on a scale-down miniaturized hybrid microsupercapacitor; an interdigitated electrode design was adopted in order to shorten the ion-transport pathway, and MnOx and reduced graphene oxide (rGO) were chosen as the redox and double layer components, respectively. The hybrid microsupercapacitor was able to deliver a high stack energy density of 1.02 mWh cm-3 and a maximal stack power density of 3.44 W cm-3, both of which are comparable with thin-film batteries and commercial supercapacitor in terms of volumetric energy and power densities.

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.

Des nanomatériaux C-LiFePO4 d'électrode positive pour batteries lithium-ion ont été synthétisés dans différentes conditions de synthèse (rapport Li/Fe, température, traitement thermique), après mécano-activation du mélange des précurseurs. Une étude des propriétés physico-chimiques et structurales de différents matériaux C-LiFePO4 a été réalisée par les techniques classiques de la Chimie du Solide et de la Science des Matériaux : diffraction (X, neutrons et électrons), spectroscopies (Mössbauer, IR, Raman, ...) et microscopie (MEB et MET-HR) de façon à essayer de déterminer le (les) facteur(s) clé(s) à de bonnes performances électrochimiques en batteries au lithium. La combinaison des analyses des matériaux désintercalés par DRX et MET-HR nous a permis de proposer le mécanisme dit "dominocascade" pour expliquer la désintercalation / intercalation rapide du lithium dans ces matériaux « LixFePO4 » et donc leurs bonnes performances électrochimiques en batteries lithium-ion. L'effet des cyclages longue durée à différentes températures a également été étudié.

Ce mémoire est consacré à la recherche de nouveaux matériaux d'électrode négative pour batteries Li-ion et plus particulièrement aux phases intermétalliques à base d'étain. Ces matériaux possèdent des capacités massiques et volumiques supérieures à celles des composés carbonés utilisés dans les dispositifs actuels, mais lorsqu'ils sont sous forme de particules de taille micrométrique, ils présentent une capacité irréversible importante et une faible cyclabilité.<br /> Une analyse détaillée des réactions électrochimiques a été effectuée en associant différentes techniques : diffraction des rayons X, spectroscopie photoélectronique à rayonnement X, spectrométrie Mössbauer de 119Sn et mesures magnétiques. Seules les phases riches en étain présentent des capacités intéressantes. Dans ce cas, la première décharge est une étape de restructuration qui transforme le matériau d'électrode en un composite constitué de nanoparticules de métal pur et de Li7Sn2. Le mécanisme principal est une réaction de déplacement partiellement réversible, les nanoparticules métalliques atténuant les variations volumiques de l'électrode.<br /> L'irréversibilité observée durant le premier cycle a été étudiée par spectroscopie photoélectronique à rayonnement X et spectroscopie d'impédance électrochimique. Cette irréversibilité est liée à la formation, en début de première décharge, d'une couche de passivation stable à la surface des particules intermétalliques qui est principalement formée de Li2CO3 et LiF. Cette formation est associée à une forte diminution du potentiel de l'électrode qui permet l'amorçage de sa restructuration. L'importance de cette couche est évidemment liée à la surface spécifique des particules, ce qui explique les piètres performances des nanomatériaux pour lesquels aucune réaction de déplacement n'a été mise en évidence.

<p>Surface film formation at the electrode/electrolyte interface in lithium-ion batteries has a crucial impact on battery performance and safety. This thesis describes the characterisation and treatment of electrode interfaces in lithium-ion batteries. The focus is on interface modification to improve battery safety, in particular to enhance the onset temperature for thermally activated reactions, which also can have a negative influence on battery performance. </p><p>Photoelectron Spectroscopy (PES) and Differential Scanning Calorimetry (DSC) are used to investigate the surface chemistry of electrodes in relation to their electrochemical performance. Surface film formation and decomposition reactions are discussed.</p><p>The upper temperature limit for lithium-ion battery operation is restricted by exothermic reactions at the graphite anode; the onset temperature is shown to be governed by the composition of the surface film on the anode. Several electrolyte salts, additives and an anion receptor have been exploited to modify the surface film composition. The most promising thermal behaviour is found for graphite anodes cycled with the anion receptor, tris(pentafluorophenyl)borane, which reduces salt reactions and increases the onset temperature from ~80 °C to ~150 °C.</p><p>The electrochemical performance and surface chemistry of Swedish natural graphite, carbon-treated LiFePO₄ and anodes from high-power lithium-ion batteries are also investigated. Jet-milled Swedish natural graphite exhibits a high capacity and rate capability, together with a decreased susceptibility to solvent co-intercalation. Carbon-treated LiFePO₄ shows promising results: no solvent reaction products are detected. The amount of salt compounds increases, with power fade occurring for anodes from high-power lithium-ion batteries; the solvent reduction products comprise mainly Li-carboxylate type compounds.</p>