Les mécanismes mis en jeu lors du cyclage de batteries au Lithium Li//Li1.20Mn0.54Co0.13Ni0.13O2 ont été étudiés avec l'objectif de déterminer l'origine des capacités très élevées délivrées par les oxydes lamellaires " (1-x)LiMO2.xLi2MnO3 ". La caractérisation par diffraction des RX et des neutrons montre que la structure est maintenue et l'existence de fluctuations de composition qui peuvent être assimilées à l'existence de deux phases de compositions voisines. Les résultats des tests électrochimiques et les analyses menées au cours du cyclage en spectroscopie d'absorption des rayons X ont suggéré la participation de l'oxygène aux processus redox. Celle-ci a été confirmée par la préparation et la caractérisation de matériaux désintercalés et réintercalés chimiquement en lithium. Les analyses en microscopie électronique à transmission (HAADF-STEM) et en nanodiffraction, montrent qu'une densification associée à un dégagement d'oxygène a lieu à la périphérie des particules

Emerging energy storage applications are driving the demand for Li-ion battery positive electrode materials with higher energy densities and lower costs. The recent production of complete pseudo-ternary phase diagrams of the Li-Mn-Ni-O system generated using combinatorial methods has provided a greater understanding of the impact of initial composition, synthesis temperature, and cooling rate on the phases that form in the final materials. This thesis focuses on the synthesis and characterization of gram-scale positive electrode materials in the Li-Mn-Ni-O system. Structural analysis of these samples has resulted in the production of partial pseudo-ternary phase diagrams focusing on the positive electrode materials region of the Li-Mn-Ni-O system at 800°C and 900°C in air for both quenched and slow cooled compositions. These bulk-scale diagrams support the observations of the combinatorial diagrams, and show similar layered and cubic structures contained within several single- and multi-phase regions. The phases that form at each composition are shown to be dependent on both the reaction temperature and cooling rate used during synthesis. The electrochemical characterization of two composition series near Li2MnO3, one quenched and one slow cooled, is presented. The quenched compositions exhibited reversible cycling at 4.4 V, voltage plateaus and small increases in capacity above 4.6 V, and large first cycle irreversible capacity losses at 4.8 V. In the slow cooled series, all but one composition exhibited initial capacities below 100 mAh/g which began to continually increase with cycling, with several compositions exhibiting capacity increases of 300% over 150 cycles at 4.9 V. In both series, analysis of the voltage and differential capacity plots indicated that significant structure rearrangements are taking place in these materials during extended cycling, the possible origins of which are discussed. Finally, high precision coulometry studies of one Li-deficient and two Li-rich single-phase layered compositions are discussed. These materials exhibit minimal oxidation of simple carbonate-based electrolyte when cycled to high potential, with the Li-deficient composition producing less electrolyte oxidation at 4.6 V vs. Li/Li+ than commercial Li[Ni1/3Mn1/3Co1/3]O2 at 4.2 V. The inherent inertness of this composition may make it suitable for use as a thin protective layer in a core-shell particle.

Les mécanismes mis en jeu lors du cyclage de batteries au Lithium Li//Li1.20Mn0.54Co0.13Ni0.13O2 ont été étudiés avec l’objectif de déterminer l’origine des capacités très élevées délivrées par les oxydes lamellaires « (1-x)LiMO2.xLi2MnO3 ». La caractérisation par diffraction des RX et des neutrons montre que la structure est maintenue et l’existence de fluctuations de composition qui peuvent être assimilées à l’existence de deux phases de compositions voisines. Les résultats des tests électrochimiques et les analyses menées au cours du cyclage en spectroscopie d’absorption des rayons X ont suggéré la participation de l’oxygène aux processus redox. Celle-ci a été confirmée par la préparation et la caractérisation de matériaux désintercalés et réintercalés chimiquement en lithium. Les analyses en microscopie électronique à transmission (HAADF-STEM) et en nanodiffraction, montrent qu’une densification associée à un dégagement d’oxygène a lieu à la périphérie des particules / The charge and discharge mechanism of Li1.20Mn0.54Co0.13Ni0.13O2 was studied using several characterization tools in order to determine the origin of the high capacity observed for the system (1-x)LiMO2.xLi2MnO3 used as positive electrode for Li-ion batteries. The electrochemical results and in operando XAS analyses performed during the 1st cycle of Li//Li1.20Mn0.54Co0.13Ni0.13O2 cells suggested the possible participation of oxygen anion to the redox processes. It was supported by the in-depth analysis of materials prepared by chemical Li deintercalation and reinsertion. The results of XRD, HAADF-STEM and nanodiffraction analyses, combined with electrochemical experiments performed in different conditions (rate, temperature …), revealed that different types of reactions occur in the particles during the 1st cycle. Within the bulk Ni, Co and O are involved in the redox processes, whereas Mn is not: oxygen ions are oxidized in charge and reduced during the next discharge reversibly. At the surface, the same oxidation processes occur during the first charge, but with the release of oxygen gaz and a densification of the lattice. During the next discharge and subsequent cycles, the redox reaction occurring near the surface after the 1st charge involves thus Co, Ni and Mn.

Nos efforts se sont portés sur des fluorophosphates de structure TAVORITE de formule LiMPO4F (M = V, Fe, Ti) et LiVPO4O qui, comparés à d’autres familles structurales de phosphates tels que Li3M2(PO4)3 (NASICON) ou LiFePO4(OH) (Tavorite) possèdent d’excellentes densités d’énergie théorique comme matériaux d’électrodes dans des accumulateurs au Li. Des méthodes de synthèse reproductibles, par voie céramique en tubes scellés et/ou ionothermale (synthèse à basse température), ont été mises au point dans ce travail. Les matériaux ainsi préparés ont été caractérisés en détail par magnétométrie, par RMN et surtout par diffraction des rayons X et des neutrons. Les structures cristallines ont ainsi pu être déterminées ainsi que les mécanismes d’insertion/extraction du Li+, via de nombreuses études par diffraction X insitu lors de la charge/décharge des accumulateurs. / This work focused on TAVORITE-based fluorophosphates LiMPO4F (M = V, Fe, Ti) and LiVPO4O which, when compared with other phosphate structural families such as Li3V2(PO4)3 (NASICON) or LiFePO4(OH) (Tavorite), possess superior energy density as electrode materials for Li batteries. Reproducible synthesis procedures were developed through “classical” ceramic routes in sealed containers and/or low temperature ionothermal reaction. The obtained materials were characterized by magnetometry, solid state NMR and heavily by X-Ray and Neutron diffraction. The crystal structures of all the materials were determined, as well as the mechanisms of Li+ insertion/extraction through insitu X-Ray diffraction during electrochemical charge/discharge of the batteries.

This thesis is completion of whole stage of researches and it is a result of existing need of increase efficiency, utilization rate and service life of lead acid batteries VRLA planned for utilization in hybrid electric vehicles in mode of partial state-of-charge PSoC. During the application of mode PSoC at lead acid battery occurs irreversible sulfation of negative electrodes and thus to loss their charging capability. This phenomenon, according to the latest trend called PCL3, isn´t connected with subsequently referred effects PCL1, PCL2, show up on positive electrodes. Result of this thesis is finding a new types of additives, determine their optimum amount and size in such a way that innovated composition of negative active materials be able to resist sulfation of negative electrode during operation in mode PSoC. Part of the effort to clarify actions ongoing on negative active material and causes non-returnable sulfation electrodes is also monitoring of structural changes electrode active material by using environmental scanning electron microscope, which helped to clarify processes related with loss of capacity in mode PSoC. Special attention during reserches was focused on study of the properties contact layers between collector and electrodes active material and itself active materials lead-acid battery druring exploitation. There were gain new information about influence repeated cycling of (charging, discharging) the critical area of the electrodes. Measurements was carried out on specially prepared experimental electrodes DC Difference Method, this enabled obtain data in situ.

高ニッケル三元系材料は商用のLiCoO2正極より高い容量を有するため、EVsで使用するリチウムイオン電池の正極材料の候補として有望である。本論文に、著者は濃厚電解液とフッ素化溶媒を用いた希釈電解液に着目し、高ニッケル三元系LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2(NCM811)の充放電サイクル特性を向上させた。電解液中の溶媒化構造の観点から、濃厚電解液の希釈効果がNCM811の充放電特性に及ぼす影響を詳細に検討した。 / Ni-rich ternary materials have higher capacity than the commercial LiCoO2 positive electrode, and therefore they are promising candidates for the positive electrode material of lithium ion batteries for use in EVs. In this thesis, the author focused on highly concentrated electrolytes and their diluted electrolytes with fluorinated solvents to improve the cycling performance of a Ni-rich ternary LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 (NCM811) for practical application. Dilution effects of the concentrated electrolytes on the charge/discharge properties of NCM811 were discussed in detail from the viewpoint of the solvation structure in the electrolyte. / 博士(工学) / Doctor of Philosophy in Engineering / 同志社大学 / Doshisha University

An urgent transformation from fossil fuels to cleaner energy sources to combat climate change has led to the utilization of renewable energies like solar, wind, and tidal power. However, the intermittency of these sources hinders their wider implementation. To address this, large-scale electrical energy storage (EES) systems are needed. These systems store excess energy during periods of surplus and release it during peak demand, enhancing grid reliability. Secondary batteries have been developed as promising EES solutions due to their reliability, independence from weather, and ease of maintenance. While lithium-ion batteries (LIBs) are popular as secondary batteries, their limited lithium supply, and rising costs demand for cost-effective alternatives. This study focuses on developing sodium iron fluorophosphate (Na2FePO4F) as a promising cathode material for SIBs. Because of its iron-based composition, which is generated from sustainable sources, Na2FePO4F offers a potential solution to the cost and supply difficulties related with LIBs. However, challenges exist, including low electronic conductivity and inferior electrochemical performance. To address these challenges, this research explores mechanochemically assisted solid-state synthesis routes as a low-cost and environmentally friendly approach. The characterization and performance evaluation of Na2FePO4F (NFPF) and NFPF/C positive electrode materials for sodium-ion batteries (SIBs) were systematically investigated through a range of analytical techniques, including XRD, TGA, SEM-EDS, FT-IR, and Raman analyses. A single-step solid-state synthesis demonstrates effectiveness in producing NFPF and NFPF/C-positive electrode materials. Moreover, Fe2O3 nanoparticles serve as the primary iron source in the solid-state synthesis of iron-based fluorophosphate Na2FePO4F/C, successfully producing both NFPF pristine phase and NFPF carbon-coated active materials. Finally, a comparison between the two synthesis pathways reveals that the active material from single-step solid-state synthesis exhibits a superior initial discharge specific capacity of 74.24 mAh⋅g−1 at 0.005 C, outperforming the double-step solid-state synthesis. These findings can contribute to the development of affordable and sustainable energy storage solutions, offering alternatives to traditional LIBs. / En akut omvandling från fossila bränslen till renare energikällor för att bekämpa klimatförändringarna har lett till ett utnyttjande av förnybar energi som sol-, vind- och tidvattenkraft. Emellertid hindrar dessa källors intermittenser deras bredare genomförande. För att komma till rätta med detta behövs storskaliga system för lagring av elektrisk energi (EES). Dessa system lagrar överskottsenergi under perioder med överskott och släpper ut den under toppbelastning, vilket förbättrar nätets tillförlitlighet. Sekundära batterier har utvecklats som lovande EES-lösningar på grund av deras tillförlitlighet, väderberoende och enkla underhåll. Medan litiumjonbatterier (LIB) är populära som sekundära batterier, kräver deras begränsade litiumtillgång och stigande kostnader kostnadseffektiva alternativ. Denna studie fokuserar på att utveckla natriumjärnfluorfosfat (Na2FePO4F) som ett lovande katodmaterial för SIB. På grund av sin järnbaserade sammansättning, som genereras från hållbara källor, erbjuder Na2FePO4F en potentiell lösning på kostnads- och försörjningssvårigheter relaterade till LIB. Men det finns utmaningar, inklusive låg elektronisk konduktivitet och sämre elektrokemisk prestanda. För att möta dessa utmaningar undersöker denna forskning mekanokemiskt assisterade syntesvägar i fast tillstånd som ett billigt och miljövänligt tillvägagångssätt. Karakteriseringen och prestandautvärderingen av Na2FePO4F (NFPF) och NFPF/C positiva elektrodmaterial för natriumjonbatterier (SIB) undersöktes systematiskt genom en rad analytiska tekniker, inklusive XRD, TGA, SEM-EDS, FT-IR och Raman analyser. En enstegs solid state-syntes visar effektivitet vid framställning av NFPF och NFPF/C-positiva elektrodmaterial. Dessutom tjänar Fe2O3-nanopartiklar som den primära järnkällan i solid state-syntesen av järnbaserat fluorfosfat Na2FePO4F/C, vilket framgångsrikt producerar både NFPF orörd fas och NFPF kolbelagda aktiva material. Slutligen avslöjar en jämförelse mellan de två syntesvägarna att det aktiva materialet från enstegs-solid-state-syntes uppvisar en överlägsen initial urladdningsspecifik kapacitet på 74,24 mAh⋅g−1 vid 0,005 C, vilket överträffar dubbelstegs-solid-state-syntesen. Dessa resultat kan bidra till utvecklingen av prisvärda och hållbara energilagringslösningar, som erbjuder alternativ till traditionella LIB.

Dans ce travail de thèse, deux objectifs ont été fixés. Le premier a été de mieux comprendre le mécanisme très complexe qui est en jeu dans les accumulateurs Li/S. Pour cela, les modifications structurales du matériau actif ont été observées in operando et ont permis de valider un modèle clair concernant les réactions de transformations de phases qui contrôlent le lithium/soufre. La cristallisation d’une forme métastable du soufre (bêta-S8 monoclinique) en fin de recharge a ainsi été observée pour la première fois lors d’expériences au synchrotron de l’ESRF. La technique d’impédance électrochimique a également donné d’importantes informations sur les cinétiques deces réactions. Le deuxième objectif visait l’amélioration du système Li/S par l’optimisation des électrodes de soufre afin d’augmenter leurs performances mais également par la fabrication d’électrodes de Li2S efficaces permettant la transition vers le Li-ion/S, plus sécuritaire. / In this work two main aspects has been conducted in parallel. The first one was focused on betterunderstanding the very complex working mechanism of Li/S cell. Structural changes evolution ofactive material upon real time battery operation was explored, giving a clear answer on thesolid/liquid reaction evolution, which govern the electrochemistry of Li/S technology. Formationof another allotropic form of sulfur (monoclinic beta-S8) during recharging the battery have beenreported for the first time ever in Li/S community. Impedance technique applied to such systemprovided additional information concerning the kinetics of these reactions. Apart from that,another aspect targeted rather on improvements of already existing solutions (making better sulfurelectrodes, with significantly improved specific capacities) as well as development the alternativesolutions, i.e. fabrication and test of new Li2S-based positive electrodes, which could be apromising transition from classical Li/S cells into safer Li-ion/S batteries.

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.

La sécurité de plusieurs systèmes électriques est fortement dépendante de la fiabilité de leur bloc-batterie à base de piles aux ions lithium (Li-ion). Par conséquent, ces batteries doivent être suivis et contrôlés par un système de gestion des batteries (BMS). Le BMS interagit avec toutes les composantes du bloc-batterie de façon à maintenir leur intégrité. La principale composante d’un BMS est un modèle représentant le comportement des piles Liion et capable de prédire ses différents points d’opération. Dans les industries de l’électronique et de l’automobile, le BMS repose habituellement sur des modèles empiriques simples. Ceux-ci ne sont cependant pas capables de prédire les paramètres de la batterie lorsqu’elle vieillit. De plus, ils ne sont applicables que pour des piles spécifiques. D’un autre côté, les modèles électrochimiques sont plus sophistiqués et plus précis puisqu’ils sont basés sur la résolution des équations de transport et de cinétique électrochimique. Ils peuvent être utilisés pour simuler les caractéristiques et les réactions à l’intérieur des piles aux ions lithium. Pour résoudre les équations des modèles électrochimiques, il faut connaître les différents paramètres électrochimiques et thermo-physiques de la pile. Les variables les plus significatives des piles Li-ion peuvent être divisées en 3 catégories : les paramètres géométriques, ceux définissant les matériaux et les paramètres d’opération. Les paramètres géométriques et de matériaux peuvent être facilement obtenus à partir de mesures directes ou à partir des spécifications du manufacturier. Par contre, les paramètres d’opération ne sont pas faciles à identifier. De plus, certains d’entre eux peuvent dépendre de la technique de mesure utilisée et de l’âge. Finalement, la mesure de certains paramètres requiert le démantèlement de la pile, une procédure risquée et destructive. Plusieurs recherches ont été réalisées afin d’identifier les paramètres opérationnels des piles aux ions lithium. Toutefois, la plupart de ces études ont porté sur l’estimation d’un nombre limité de paramètres et se sont attardées sur un seul type de matériau pour l’électrode positive utilisé dans la fabrication des piles Li-ion. De plus, le couplage qui existe entre les paramètres électrochimiques et thermo-physiques est complètement ignoré. Le but principal de cette thèse est de développer une méthode générale pour identifier simultanément différents paramètres électrochimiques et thermo-physiques et de prédire la performance des piles Li-ion à base de différents matériaux d’électrodes positives. Pour atteindre ce but, une méthode inverse efficace a été introduite. Des modèles directs représentatifs des piles Li-ion à base de différents matériaux d’électrodes positives ont également été développés. Un modèle rapide et précis simulant la performance de piles Li-ion avec des électrodes positives à base de LiMn2O4 ou de LiCoO2 est présenté. Également, deux modèles ont été développés pour prédire la performance des piles Li-ion avec une électrode positive de LiFePO4. Le premier, appelé modèle mosaïque modifié (MM), est basé sur une approche macroscopique alors que le deuxième, appelé le modèle mésoscopique, est plutôt basé sur une approche microscopique. Des études d’estimation de paramètres ont été conduites en utilisant les modèles développés et des données expérimentales fournies par Hydro-Québec. Tous les paramètres électrochimiques et thermo-physiques des piles Li-ions ont été simultanément identifiés et appliqués à la prédiction de la performance des piles. Finalement, une technique en temps réel reposant sur des réseaux de neurones est introduite dans la méthode d’estimation des paramètres intrinsèques au piles Li-ion. / Abstract : The safety of many electrical systems is strongly dependent on the reliable operation of their lithium-ion (Li-ion) battery packs. As a result, the battery packs must be monitored by a battery management system (BMS). The BMS interacts with all the components of the system so as to maintain the integrity of the batteries. The main part of a BMS is a Li-ion battery model that simulates and predicts its different operating points. In the electronics and in the automobile industries, the BMS usually rests on simple empirical models. They are however unable to predict the battery parameters as it ages. Furthermore, they are only applicable to a specific cell. Electrochemical-based models are, on the other hand, more sophisticated and more precise. These models are based on chemical/electrochemical kinetics and transport equations. They may be used to simulate the Li-ion battery characteristics and reactions. In order to run the electrochemical-based mathematical models, it is imperative to know the different electrochemical and thermophysical parameters of the battery. The significant variables of the Li-ion battery can be classified into three groups: geometric, material and operational parameters. The geometric and material parameters can be easily obtained from direct measurements or from the datasheets provided by the manufacturer. The operational properties are, on the other hand, not easily available. Furthermore, some of them may vary according to the measurement techniques or the battery age. Sometimes, the measurement of these parameters requires the dismantling of the battery itself, which is a risky and destructive procedure. Many investigations have been conducted to identify the operational parameters of Li-ion batteries. However, most of these studies focused on the estimation of limited parameters, or considered only one type of the positive electrode materials used in Li-ion batteries. Moreover, the coupling of the thermophysical parameters to the electrochemical variables is ignored in all of them. The main goal of this thesis is to develop a general method to simultaneously identify different electrochemical and thermophysical parameters and to predict the performance of Li-ion batteries with different positive electrode materials. To achieve this goal, an effective inverse method is introduced. Also, direct models representative of Li-ion batteries are developed, applicable for all of the positive electrode materials. A fast and accurate model is presented for simulating the performance of the Li-ion batteries with the LiMn2O4 and LiCoO2 positive electrodes. Moreover, two macro- and micro-based models are developed for predicting the performance of Li-ion battery with the LiFePO4 positive electrode, namely the Modified Mosaic (MM) and the mesoscopic-based models. The parameter estimation studies are then implemented by means of the developed direct models and experimental data provided by Hydro-Québec. All electrochemical and thermophysical parameters of the Li-ion batteries are simultaneously identified and applied for the prediction of the battery performance. Finally, a real-time technique resting on neural networks is used for the estimation of the Li-ion batteries intrinsic parameters.