京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第24108号 / 工博第5030号 / 新制||工||1785(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

The thesis deals with a study of the various carbon materials for negative electrode of lithium ion accumulators. The object of the work is to gain the most knowledge about these materials and to project their possible improvements. In the first part of the work is described the latest knowledge about carbon materials and their application. In the following parts of the work is handled about manufacture,optimization of composition of electrode and the choice of carbon material for liquid and gel electrolyte.

Ce mémoire est consacré à l'étude de nouveaux matériaux composites de type Si/Sn-Ni/Al/C pour former des électrodes négatives de batteries lithium ion. La microstructure de ces matériaux se présente sous la forme de nanoparticules de Si enrobées dans une matrice conductrice constituée de carbone et d'un composé intermétallique Ni3,4Sn4. La nanostructure et la composition du matériau composite lui confèrent de très bonnes performances en termes de capacité réversible, de stabilité électrochimique, et de cinétique de réaction. La mécanosynthèse a été choisie comme méthode d'élaboration. Les propriétés structurales et chimiques du composite ont été déterminées par analyses DRX, par microscopies électroniques MET et MEB, par analyses EDX et EFTEM et par spectroscopie Mössbauer de 119Sn. La caractérisation électrochimique a été réalisée par cyclage galvanostatique et par voltamétrie cyclique. La réactivité de ces matériaux envers le lithium a été étudiée par analyses DRX et spectroscopie Mössbauer de 119Sn in-situ. Ce mémoire détaille les résultats structuraux et électrochimiques obtenus pour différents matériaux composites basés sur Ni3,4Sn4 en ajoutant les éléments C, Al et Si. Une étude des mécanismes réactionnels lors du broyage mécanique ainsi que pendant le cyclage électrochimique a été effectuée et le rôle des différents éléments a été mis en évidence. Enfin, une discussion sur l'influence de la microstructure sur les performances électrochimiques des matériaux composites est donnée. Les meilleures performances électrochimiques sont obtenues pour le composite de composition nominale Ni0,14Sn0,17Si0,32Al0,04C0,35. Il présente une capacité réversible de 920 mAh/g avec une très bonne stabilité sur 280 cycles. Le matériau possède une excellente cinétique de délithiation : 90% de la capacité peut être délivrée en moins de 5 minutes. La capacité irréversible (20%) reste toutefois élevée et doit être encore améliorée en stabilisant l'interface solide/électrolyte (SEI) / This study is devoted to a new Si/Sn-Ni/Al/C composite material usable as negative electrode for lithium-ion batteries. The composite microstructure is made from Si nanoparticles embedded in a matrix, consisting of conductive carbon and Ni3.4Sn4 intermetallic compound. The nanostructure and composition of the composite material give excellent properties regarding reversible capacity, electrochemical stability, and reaction kinetics. Mechanical alloying has been chosen as synthesis method. The material structural and chemical properties have been determined by XRD analysis, by electron microscopy TEM and SEM, by EDX and EFTEM analysis and 119Sn Mössbauer spectroscopy. The electrochemical characterization was carried out by galvanostatic cycling and cyclic voltammetry. Lithium reactivity of these materials was studied by in-situ XRD analysis and 119Sn Mössbauer spectroscopy. This manuscript details the structural and electrochemical results obtained from various composite materials based on Ni3.4Sn4 by adding C, Al and Si elements. Reaction mechanisms during mechanical alloying and during electrochemical cycling have been investigated and the role of the different elements has been demonstrated. Finally, a discussion of the microstructure influence on the electrochemical performance of the composite materials is given. The best electrochemical properties are obtained for the composite material with nominal composition Ni0.14Sn0.17Si0.32Al0.04C0.35, which has a reversible capacity of 920 mAh/g with a very good stability of 280 cycles. Excellent kinetics during délithiation are obtained : 90% of capacity can be delivered in less than 5 minutes. However, the irreversible capacity (20 %) remains high and should be improved by stabilizing the solid/electrolyte interface (SEI)

Les nouvelles technologies sont de plus en plus demandeuses de sources de forte densité d’énergie respectueuses de l’environnement. Les accumulateurs lithium-ion semblent être la meilleure solution pour les applications mobiles et pour le domaine de l’automobile. Afin de répondre aux besoins en énergie de plus en plus importants, de nouveaux matériaux d’électrode négative sont nécessaires pour remplacer le carbone qui a désormais atteint son stade de maturité. En particulier, les composites silicium/carbone (Si/C) semblent être prometteurs pour augmenter la densité d’énergie des accumulateurs mais présentent de faibles rétentions de capacité au cours du cyclage. L’amélioration de la cyclabilité des composites Si/C fait l’objet de ce travail de thèse. La synthèse des composites par atomisation avec de l’alcool polyvinylique comme précurseur carboné suivie d’une pyrolyse est présentée. Les performances électrochimiques des matériaux résultants sont comparées à celles obtenues par d’autres composites, élaborés par lyophilisation et par broyage. Les propriétés intrinsèques des composites ont été modifiées par deux voies différentes afin d’améliorer leur cyclabilité. Dans un premiers temps, les effets de la réticulation de l’alcool polyvinylique ont été étudiés, puis ceux liés à l’ajout d’un catalyseur favorisant la graphitisation du carbone. La cyclabilité des composites Si/C peut également être améliorée en modifiant la nature du liant utilisé lors de la préparation des électrodes. L’intérêt bénéfique de l’emploi de l’acide polyacrylique en remplacement du fluorure de polyvinylidène couramment utilisé dans des électrodes à base de composites Si/C est démontré. / New technologies require more and more environment friendly sources of high energy density. Lithium-ion batteries seem to be the best solution for mobile and automotive applications. In order to meet the future energy requirements, new negative electrode materials are needed to replace carbon which has now reached a mature stage. Especially, silicon/carbon composites (Si/C) appear to be promising candidates to increase the energy density of batteries, but they still present poor capacity retention upon cycling. The improvement of Si/C composites cyclability is the subject of this thesis. The synthesis of Si/C composites by spray drying with polyvinyl alcohol as carbon precursor, followed by pyrolysis, is presented. The electrochemical performances are compared with those obtained for other composites, prepared by freeze drying and ball-milling. The intrinsic properties of the composites were modified in two different ways to improve their cyclability. First, we studied the effects of polyvinyl alcohol crosslinking, and then those related to the graphitization of carbon contained in these composites. The cyclability of Si/C composites can also be improved by changing the nature of the binder used during the electrodes preparation. The beneficial interest of using polyacrylic acid in replacement of polyvinylidene fluoride binder commonly used in Si/C based electrodes is shown.

Ce mémoire est consacré à l’étude de nouveaux composites à base de Ni/Ti/Sn/Si comme matériaux d’électrodes négatives pour accumulateurs rechargeables Li-ion. Ces matériaux se présentent sous la forme d’une matrice active ou inactive électrochimiquement, enrichie avec du silicium pour former un composite nanostructuré. Ils présentent des capacités massiques supérieures à celles du carbone avec de bonnes performances en terme de capacité réversible, stabilité électrochimique, et cinétique de réaction. La mécanosynthèse a été choisie comme méthode d’élaboration de ces composites. Les propriétés physico-chimiques des composites ainsi synthétisés ont été caractérisées par diffraction des Rayons X, spectrométrie Mössbauer de 119Sn et microscopie électronique à balayage. Les caractérisations électrochimiques ont été effectuées par cyclages galvanostatiques. La complémentarité entre ces différentes techniques a permis d’analyser les mécanismes réactionnels. L’étude détaillée de ces nouveaux matériaux composites, nous a permis de mettre en évidence l’influence de la matrice et du taux d’enrichissement en silicium sur les performances électrochimiques (capacité réversible pouvant atteindre 1300 mAh.g¡1 et efficacité coulombique >99,5%). Ces matériaux présentent une grande flexibilité de composition permettant d’adapter leur capacité massique aux applications visées. / This work has been devoted to new Ni/Ti/Sn/Si based composites as negative electrode materials for lithium-ion batteries. Thesematerials are formed by tin based electrochemically active matrix and/or silicon based electrochemically inactive matrix enriched with silicon. They were obtained by ball milling method leading to nanostructured compositeswith strongly improved electrochemical performances compared to commercially used carbon. This includes reversible capacity, electrochemical stability and reaction kinetics.The composites were characterized by X-ray diffraction, 119Sn Mössbauer spectroscopy and scanning electron microscopy while their electrochemical performances were carried out by galvanostatic cycling. Finally, the reaction mechanisms were elucidated from X-ray diffraction and 119Sn Mössbauer spectroscopy used in operando mode. By combining these results with empirical models, it has been possible to optimize the composition and the synthesis conditions of the composite to improve the electrochemical properties and obtain reversible specific capacity up to 1300 mAh.g-1 with Coulombic efficiency higher than 99.5%. In addition, the composition flexibility of these materials allows to adapt their electrochemical properties to specific applications.

Ce mémoire est consacré à l'étude de matériaux composites innovants du type Si/Intermétallique/Al/C utilisés comme matériaux d'électrodes négatives pour les batteries lithium ion. L'objectif de ces travaux est d'optimiser un matériau de composition 20Ni-48Sn-20Si-3Al-9C ayant été développé auparavant pour obtenir les meilleures performances électrochimiques. Ce matériau se présente sous la forme de nanoparticules de silicium enrobées par une matrice submicrométrique. Plusieurs stratégies ont été mises en œuvre : optimisation des teneurs en carbone et en silicium, influence de l'état de surface du silicium sur les propriétés électrochimiques et remplacement de l'intermétallique Ni3+xSn4 par d'autres alliages : un composé zinc-aluminium Al0, 23Zn0,77 et deux intermétalliques Cu6Sn5 et CoSn. Les composés intermétalliques ont été synthétisés par métallurgie des poudres et les matériaux composites par mécanosynthèse. Les propriétés chimiques et structurales de ces matériaux ont été déterminées par microsonde de Castaing, diffraction des rayons X et microscopies électroniques. Les caractérisations électrochimiques ont été réalisées en demi-cellules (Swagelok et bouton) par cyclage galvanostatique et par voltamétrie cyclique. Ce mémoire détaille l'influence des paramètres étudiés sur les propriétés structurales. Une large étude a notamment été menée sur l'influence des teneurs en carbone et en silicium sur l'obtention d'une matrice homogène, une condition nécessaire pour atteindre de bonnes performances électrochimiques. Le même type d'étude a été mené sur l'influence de l'effet de surface du Si et la nature de l'alliage utilisé. Il a par exemple été montré de meilleurs résultats électrochimiques pour les intermétalliques présentant une réactivité modérée avec le silicium lors du broyage mécanique. Les meilleures performances ont été obtenues pour la composition Ni0.13Sn0.15Si0.26Al0.04C0.42. Ce composite présente une capacité de 650 mAh.g-1 pendant 1000 cycles. L'utilisation d'un silicium carboné en surface améliore la stabilité en cyclage de la SEI même si son utilisation reste à optimiser / This study focuses on the optimization of innovative composite materials Si/Intermetallic/Al/C used as negative electrode in lithium-ion batteries. The aim of this work is optimization of the composition for the material (20Ni-48Sn-20Si-3Al-9C) to improve its electrochemical performances. All materials are made up of silicon nanoparticles embedded in a sub micrometrical matrix. Several issues have been studied in this essay: optimization of the silicon and carbon contents, influence of the silicon surface composition, and substitution of the former intermetallic Ni3+xSn4 by other ones: zinc aluminium compound Al0,23Zn0,77 and two intermetallics Cu6Sn5 et CoSn. Metallic compounds and composites have been synthesised by powder metallurgy and mechanical alloying, respectively. Their chemical and structural properties have been determined by electron probe microanalysis, X-ray diffraction, scanning electron microscopy and transmission electron microscopy. Electrochemical characterisations have been carried out by galvanostatic cycling and cyclic voltammetry in coin and Swagelok half cells. This report details the influence of the studied parameters on the structural properties of the composite materials. A large study was devoted to the influence of carbon and silicon contents on the achievement of a homogeneous matrix, which is mandatory to get good electrochemical performances. Influence of the composition of silicon surface and intermetallic on the microstructure and electrochemical properties of the composites was also studied. Thus, we have shown that intermetallics reacting moderately with Si during mechanical alloying have better electrochemical properties. The best electrochemical properties have been obtained for the nominal composition Ni0.13Sn0.15Si0.26Al0.04C0.42. This material provides a reversible capacity of 650 mAh.g-1 during 1000 cycles. The use of carbon coated silicon improves the stability of the SEI during cycling even if this composite still has to be optimized

This thesis deals with the problematic of lead acid batteries for HEVs. It starts with classification of electrochemical cells then proceeds to focus on lead acid batteries, mainly because they are the most used source of electrical power in automotive industry. The practical part of the work describes the process of manufacturing the electrode system used in the later parts. The experimental part is focused on the behaviour of the cells under conditions that appear in hybrid electric vehicles. The effect of aditives in active matter of the negative electrode on the parameters of the cells is observed, such as voltage, capacity and operating life

This diploma thesis is focused on in-situ analysis of the composition of the negative electrodes of second secondary cells with using X-ray radiation. The first part is dedicated to the theory of lead accumulators, including charging, discharging, battery components and individual degradation mechanisms. The main part of the thesis includes the preparation of electrochemical in situ XRD cells and following measurement of the growth of lead sulphate crystals on the OCV potential. Furthermore, the lead cell was subjected to the measurement of the cyclic voltammetry around the working point of the negative electrodes. From these measurements was evident gradual increase of the lead sulfate crystals. The analysis was supplemented with electron microscopy images. In addition, were evaluated the in-situ particle analysis of the LTO Sigma sample.

This master's thesis is focused on in situ observation of the negative electrode of the lead acid accumulator using atomic force microscopy AFM. Discussed topics are lead acid accumulator, atomic force microscopy, cyclic voltammetry and current knowledge of the in situ observation of the lead acid accumulator using AFM. The main task of this project is assembling the experimental cells, make in situ observation of the negative electrode surface of the lead acid accumulator. In the end evaluate if this method is suitable for the lead acid battery observation.

The thesis briefly discusses the issue of electrochemical power sources, especially with a focus on lead-acid batteries operating in modes that are typical of hybrid electric vehicles. The theoretical part of the thesis should be a good basis for the subsequent practical part, in which several experimental electrodes and their parameters will be performed and evaluated. The output of the practical part will be conclusions regarding the influence of different variants of modified carbon used as an additive in the active material of the negative electrode on the capacity and life of cells