Des matériaux d'électrode positive pour batteries Li-ion de structures atypiques ont été synthétisés par une réaction de chimie douce qui consiste en l'échange ionique du sodium par le lithium dans les composés lamellaires de type NaxMO2 (x = 2/3 ; M = Co, Co/Mn). Un modèle basé sur la nucléation-croissance au sein du matériau précurseur a été proposé afin d'expliquer le mécanisme de la réaction d'échange ionique. Une comparaison entre les diagrammes de diffraction des rayons X obtenus pour différentes structures lamellaires simulées d'après le mécanisme réactionnel proposé et une étude de la réaction d'échange suivie par diffraction des rayons X in situ ont permis dans le cas de O2-LiCoO2 de mettre en évidence les paramètres gouvernants la réaction. Le matériau substitué au manganèse T#2-Li2/3Co2/3Mn1/3O2 a été synthétisé et caractérisé par diffraction des neutrons et diffraction électronique. La stabilité thermique de ce matériau a été étudiée, cette étude a montré la formation à 450°C d'une phase de même composition mais de structure différente. Les propriétés électrochimiques de ces matériaux et les modifications structurales observées au cours du cyclage électrochimique ont été caractérisées.

Des matériaux lamellaires d'électrode positive pour batteries lithium-ion, de formule Li1+x(Ni0.425Mn0.425Co0.15)1-xO2 (0 < x < 0.12), ont été synthétisés par coprécipitation. Leurs propriétés structurales et physico-chimiques ont été caractérisées par diffraction (rayons X, neutrons et électrons), spectroscopie XPS, mesures magnétiques ... La surlithiation (Li / (Ni+Mn+Co) > 1) entraîne la présence de lithium en excès dans le site des métaux de transition. Une surstructure de type v3.ahex. x v3.a hex. analogue à celle observée pour Li2MnO3 a été mise en évidence par diffraction électronique. Les propriétés électrochimiques et les modifications structurales observées au cours du cyclage ont été caractérisées pour ces matériaux. La surlithiation entraîne la présence d'un " plateau " de potentiel à ~ 4.5V/Li pour le système Li // Li(Ni0.425Mn0.425Co0.15)0.88O2 ; celui-ci a été associé à des changements structuraux irréversibles mettant en jeu une réorganisation cationique dans les feuillets et une perte d'oxygène.

Au vu d’une demande croissante pour un stockage d’énergie à grande échelle, il est préférable de se tourner vers des matériaux peu coûteux et répandus. De ce point de vue, le sodium, qui présente des caractéristiques très proches de celles du lithium, présente également l’avantage d’être peu coûteux, abondant et réparti uniformément dans le monde. Cette thèse porte sur l’étude d’un système complet Na-ion constitué d’un carbone dur à l’électrode négative et d’un oxyde lamellaire à l’électrode positive. Un volet sur l’électrolyte a également été abordé.Concernant l’électrode négative, l’influence de la température de pyrolyse de la cellulose sur la structure des carbones durs et sur les performances électrochimiques a été étudiée. Une graphitisation localisée, une fermeture des pores et une évolution de la porosité interne avec la température de pyrolyse ont pu être observées. Les meilleures performances électrochimiques ont été obtenues pour le matériau synthétisé à 1600 °C : une capacité réversible d’environ 300 mAh.g-1 stable sur 200 cycles est atteinte à 37,2 mA.g-1 avec une efficacité coulombique initiale de 84 %. Pour mieux comprendre les mécanismes d’insertion du sodium dans ces matériaux, des études par spectroscopie d’impédance, SAXS et EDX ont été réalisées sur des carbones durs cyclés à différents potentiels.Le matériau d’électrode positive choisi est l’oxyde lamellaire Na0,6Ni0,25Mn0,75O2. L’influence de la température de calcination a permis de faire varier le nombre de défauts d’empilement de type P3 au profit d’une phase P2 plus cristalline. Après avoir optimisé l’électrolyte à base de carbonates pour garantir la reproductibilité des tests oxyde lamellaire//sodium métal, une capacité d’oxydation de 130 mAh.g-1 a pu être atteinte au premier cycle avant de chuter fortement sur les 40 cycles suivants. Cette perte de capacité a pu être en partie expliquée par des études de DRX operando. Enfin, ces travaux ont permis d’aboutir à des systèmes complets Na-ion dont les premiers résultats sont prometteurs. / Because of the development of renewable energy and electric vehicles, the need for a large scale energy storage has increased. This type of storage requires a large amount of raw materials. Therefore low cost and abundant resources are necessary. Consequently the use of sodium batteries is of interest because sodium’s low cost, high abundance, and worldwide availability. This PhD thesis deals with the study of a full Na-ion cell containing a hard carbon negative electrode, and a layered oxide positive electrode. A shorter part concerns the electrolyte.Concerning the negative electrode, the first objective was to understand in detail the influence of the pyrolysis temperature of a hard carbon precursor, cellulose, on the final structure of the material and its consequences on the electrochemical performance. Many techniques were used to characterize the hard carbon structure as a function of the pyrolysis temperature. Localized graphitization, pore closure, and an increase in micropore size have been observed with increasing temperature. The best electrochemical performance has been reached with the hard carbon synthesized at 1600°C: a reversible capacity of around 300 mAh.g-1 stable over 200 cycles is obtained at 37.2 mA.g-1 with an initial coulombic efficiency of 84%. To deeper understand sodium insertion mechanisms in hard carbon structures impedance spectroscopy, SAXS and EDX were carried out on hard carbon electrodes cycled at different voltages.The layered oxide Na0.6Ni0.25Mn0.75O2 was investigated as the positive electrode. It was observed that with increasing calcination temperature the number of P3-type stacking faults decreases in favor of a more crystalline P2 phase. Then, the carbonate-based electrolyte has been optimized to guarantee the reproducibility of the electrochemical tests performed in a layered oxide//sodium metal configuration. A first oxidation capacity of around 130 mAh.g-1 is reached. However this value drops quickly after 40 cycles. Operando XRD analysis did partially explain the capacity decrease. Finally, the results of these investigations were used to design an optimized full cell which demonstrated promising performance during initial testing.

Ce travail de thèse se base sur quatre matériaux modèles, de composition LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2, qui différent de par leur microstructure. Le lien entre leur morphologie et les performances électrochimiques est étudié par la combinaison de la caractérisation exhaustive de leur microstructure, l’étude de leur comportement en batterie et la modélisation de leur réponse électrochimique. L’étape limitant le processus électrochimique est identifiée par voltampérométrie cyclique et nous montrons que la transition attendue d’une limitation par le transfert de charge à une limitation par la diffusion en phase solide a lieu à différents régimes selon la microstructure. Ce comportement est expliqué par l’utilisation d’outils de simulations numériques. Selon leur forme et leur agglomération, les cristallites agissent collectivement ou indépendamment les unes des autres. Ces résultats rationalisent les performances en puissance obtenues sur nos matériaux. Les résultats de simulation montrent également qu’une faible fraction de la surface développée est électroactive, ce qui remet en question la large utilisation de la surface BET dans la littérature. Nous montrons également que, si les matériaux poreux sont les plus performants en puissance gravimétrique, la tendance est inversée pour la puissance volumique. Les stratégies de nanostructuration largement employées, qui se basent sur la capacité spécifique pour caractériser les matériaux, ne doivent pas oublier faire oublier le compromis nécessaire entre surface développée et volume. / Four NMC materials are synthesized by co-precipitation. They exhibit a hierarchical architecture made of reasonably spherical agglomerates. One is constituted of flake-shaped, spatially oriented, crystallites that leave large apparent void spaces in the agglomerate, while the other results from the tight agglomeration of micron-sized cuboids. Porous material exhibits the best power performances. It is impossible to identify a geometrical parameter that predict performances, even after achieving the full characterization of the microstructures. Cyclic voltammetry reveals two behaviours depending on the shape of crystallites: processes limited by solid-state diffusion (cuboids) and the ones limited by charge transfer even at high rates (flake-shaped). This observation challenges active materials design strategies that assume diffusion as the limiting process of lithium intercalation. Focusing on enhancing kinetics could be the way to increase performances. Charge-transfer is first investigated by measuring electronic conductivities over a wide range of frequencies, allowing to discriminate relaxations arising at various length scales. We show that flake-shaped crystallites facilitate the motion of electrons at all scale levels compared to cuboids. Charge-transfer limitations originate from the electrolyte/material interface in materials exhibiting high surface areas. Numerical simulations reveal that BET measurements largely overestimate the actual electroactive surface, which is understood by HRTEM images of flake-shaped crystallites. Only a small percentage, limited to the edge plane is truly electroactive.

Des matériaux d'électrode positive pour batteries Li-ion de formule Lix0(Co,M)O2 (M = Ni, Mg ; x0 ≥ 1.0) ont été préparés à haute température (900° C) et caractérisés par diffraction des rayons X, tests galvanostatiques, spectroscopie de RMN MAS du 7Li et mesures électriques. Alors que les propriétés de la phase LiCoO2 sont en accord avec la littérature, dans tous les cas, l'ajout d'un excès de lithium lors de la synthèse conduit dans le matériau final à la présence d'un défaut structural constitué de lacunes d'oxygène et d'ions Co3+ spin intermédiaire (Co3+(IS)) en site pyramidal à base carrée. Ce défaut influe considérablement sur les propriétés des phases désintercalées puisqu'il supprime toutes les transitions de phase habituellement observées lors du cyclage galvanostatique de la phase LiCoO2. La substitution du nickel au cobalt permet de séparer la contribution des ions NiIII et Co3+(IS) quant à la disparition des transitions de phase lors de la désintercalation du lithium. La substitution du magnésium au cobalt, même sans excès de lithium, induit systématiquement la présence de ce type de défaut (Co3+(IS)). Cette particularité a été corrélée au comportement électrochimique de ces matériaux Lix(Co,Mg)O2 en cyclage.

Ce travail présente la mise en oeuvre d’un protocole de synthèse de gradients deconcentration dans les oxydes lamellaires riches en Li et en Mn. Le but a été dedévelopper la formation d’oxydes lamellaires riches en Li et Mn au coeur des agrégatssphériques du matériau actif et, en se rapprochant de la surface, d’enrichir lacomposition de l’oxyde lamellaire en Co et en Ni, afin de combiner une forte densitéd’énergie (apportée par le coeur du gradient) et une excellente stabilité thermique etstructurale (apportée par la surface du gradient). La synthèse a été réalisée en deuxétapes, une co-précipitation pour former un carbonate de métaux de transition suivied’une calcination à haute température pour obtenir le matériau actif lithié. L’influencede différents paramètres (pH, débit d’injection, taille du réacteur, composition, …) surla nature du carbonate à gradient de concentration ainsi formé a été étudiée. De lamême façon, le contrôle du ratio Li/M (ici M = Ni, Co, Mn), de la température et de ladurée de calcination s’est révélé important pour parvenir à maintenir le gradient deconcentration dans le matériau lithié. Le ratio Li/M est également déterminant pourcontrôler la nature des matériaux obtenus (lamellaire - spinelle ou lamellaire –lamellaire). Des caractérisations extrêmement pointues, et complexes à mettre enoeuvre, ont été menées afin d’obtenir des informations pertinentes sur la distributiondes phases au sein des agrégats (composition et structure), de la surface au coeur dugradient : différentes techniques de microscopie (EPMA, MEB-EDX et FIB-STEM) ontainsi été largement utilisées. Les matériaux les plus intéressants ont été étudiés enbatteries Lithium-ion avec une électrode de graphite à la négative, les performancesélectrochimiques et la stabilité thermique à l’état chargé de la batterie sont largementdiscutées par rapport à l’état de l’art et notamment au matériau de coeur riche en Li eten Mn. / This work describes in details the implementation of the synthesis protocol for theformation of Li- and Mn-rich layered oxides with concentration-gradients. The purposewas to develop the synthesis of Li- and Mn-rich layered oxides in the bulk of sphericalaggregates of active material and, moving to the surface, to enrich the layered oxides’composition with Co and Ni, in order to combine a high energy density (provided bythe bulk) and an excellent thermal and structural stability (provided by the surface).The synthesis was performed in two steps, a coprecipitation to form a transition metalcarbonate followed by a calcination at high temperature to obtain the lithiated activematerial. The influence of several parameters (pH, feeding rate, size of the reactor,composition …) on the nature of the carbonates formed with concentration-gradientswas studied. Similarly, the control of the Li/M ratio (with M = Ni, Co, Mn) and of thetemperature and duration of calcination was revealed to be important to maintain theconcentration-gradient in the lithiated materials. The Li/M ratio is also the keyparameter to control the nature of the materials obtained (layered - spinel or layered -layered). Advanced characterizations, complex to be implemented, were performed inorder to obtain in-depth information on the distribution of phases within the aggregates(composition and structure), from the bulk to the surface: complementary microscopytechniques (EPMA, SEM-EDS and FIB-STEM) were widely used. The most interestingmaterials were studied in Lithium-ion batteries with graphite at the negative electrode,their electrochemical performance and the thermal stability in the charged state of thebattery were compared to the state of art, and particularly to the bulk Li and Mn-richlayered oxide.