La miniaturisation des appareils électroniques et la multiplication de leurs fonctionnalités conduisent à développer des microsources d’énergie adaptées, parmi lesquelles figurent les microbatteries au lithium. Malgré leurs excellentes performances, ces systèmes de stockage électrochimique tout solide restent toutefois limités en termes de capacité surfacique. Cette caractéristique étant intrinsèquement liée aux matériaux d’électrodes, nous avons choisi de nous intéresser à des couches minces de CuO, dont la capacité volumique théorique (426 µAh .cm-2.µm-1) est sensiblement plus élevée que celle des matériaux d’intercalation utilisés jusqu’à présent. Ce matériau réagit avec le lithium selon un mécanisme particulier, dit de conversion, qui induit la formation d’un système multiphasé et nanostructuré d’une grande complexité. Dans le cadre de ce travail, la compréhension des mécanismes électrochimiques et chimiques mis en jeu au cours du cyclage de couches minces d’oxyde de cuivre (CuO) a été l’objectif majeur. Celui-ci a nécessité une caractérisation fine du matériau actif d’électrode et des interfaces générées (interfaces solide/solide et interface solide/électrolyte). Ces études ont été principalement menées à partir de la Spectroscopie Photoélectronique à Rayonnement X (XPS), de la Microscopie à Force Atomique (AFM) et d’une modélisation théorique exploitant les méthodes de la chimie quantique. Les propriétés chimiques et morphologiques des couches minces de CuO cyclées ont été corrélées à leur comportement électrochimique. Une forte influence de leur structure et de leur morphologie initiales a pu être ainsi mise en évidence / The miniaturization of electronic components and the increasing number of their functionalities lead to the development of suitable energy microsources, among which lithium microbatteries appear. Despite the excellent performances of these all-solid-state electrochemical power sources, one main limitation that remains is their surface capacity. Its value being intrinsically connected to the nature of electrode materials, we chose to focus on CuO thin films which are characterized by a theoretical volumetric capacity (426 µAh .cm-2.µm-1) in far larger than the one of conventional intercalation materials used today. Indeed, this material reacts with lithium according to a particular mechanism, referred as conversion reaction, inducing the formation of a multiphase nanostructured system with a high complexity. In the framework of this study, understanding of electrochemical and chemical mechanisms which take place during the cycling of copper oxide thin films (CuO) was the main objective. This one has required a fine characterization of the electrode active material and the generated interfaces (solid/solid interfaces and solid/electrolyte interface). These studies have been mainly carried out with X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS), Atomic Force Microscopy (AFM) and theoretical approaches based on quantum chemistry methods. The chemical and morphological properties of the cycled CuO thin films have been linked to their electrochemical behavior. An important influence of their initial structure and morphology was then evidenced.

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.