Thin film lithium microbatteries were investigated in this project in which LiCoO₂ cathodes about 200 to 500 nm were fabricated by pulsed-laser deposition (PLD) at different processing parameters such as laser energy and fluence, substrate temperature, background gas pressure, and target-substrate distance. Structure, microstructure and composition of as-deposited LiCoO₂ films were determined by XRD, SEM and XPS. Optimal deposition parameters were identified. Relaxation of open-circuit voltage of as-prepared cells and charge-discharge cycling were conducted to characterize the electrochemical properties of microbatteries made of these LiCoO₂ films. / Singapore-MIT Alliance (SMA)

Solid state thin film lithium microbatteries fabricated by pulsed-laser deposition (PLD) are suggested. During deposition the following process parameters must be considered, which are laser energy and fluence, laser pulse duration, laser pulse frequency, target composition, background gasses, substrate temperature, target-substrate distance and orientation. The effects of the variations of the process parameters can be obtained by measuring stoichiometry, thickness, phases and structure (grain size and texture), and stress of the deposited films. Electrochemical measurements will be conducted to test the microbattery properties through open-circuit voltage, charge-discharge cycling, cyclic voltammetry, and impedance analysis. / Singapore-MIT Alliance (SMA)

Dans le but d’améliorer les performances des micro-accumulateurs au lithium, de nouvelles voies de dépôt, compatibles avec des géométries texturées, sont actuellement explorées. Au cours de ce travail de thèse, un nouvel électrolyte solide déposé par voie « humide » a été développé. Ce matériau, composé d’un liquide ionique et d’un sel de lithium confinés dans une matrice solide, a été synthétisé par polymérisation in-situ d’un oligomère diméthacrylate. Afin de définir leurs caractéristiques de conduction ionique, de nouvelles méthodes, comme le suivi de la photo-polymérisation par impédance in-situ ou encore la réalisation d’un nouveau design de cellules à base de peignes interdigités, ont été développées. De plus, le transfert du lithium a été mesuré par RMN diffusionnelle. Une diminution significative de la vitesse de diffusion des ions Li+ après la photo-polymérisation a ainsi été mise en évidence. La spectroscopie Raman a permis de démontrer que celle-ci est due à la complexation des ions par les chaines de poly(oxyde d’éthylène) de la matrice solide. En outre, grâce aux observations de différentes compositions, un mécanisme de diffusion mixte des ions Li+ par migration dans le liquide et par sauts dans le solide a été identifié. Par conséquent, ces résultats nous ont permis de définir une stratégie pour améliorer la diffusion des ions Li+ : l’ajout d’un copolymère monofonctionnel a permis de diminuer la densité de réticulation de la matrice solide et ainsi d’optimiser la mobilité des chaines polymères. En effet, les performances de cyclage dans des empilements de micro-accumulateurs complets ont été améliorées. A température ambiante, ces résultats se sont révélés très proches de ceux obtenus avec l’électrolyte solide standard LiPON. En conclusion, l’analyse établie a permis de comprendre les liens entre structure et performances électrochimiques, ce qui a permis de dégager les voies d’amélioration les plus prometteuses pour ce type d’électrolytes. / New deposition techniques compatible with making tridimensional geometries are currently being investigated with the aim of improving the performances of lithium microbatteries. This work focuses on the development of a new quasi-solid electrolyte deposited by a “wet process”. An ionic liquid-based membrane containing a lithium salt was prepared by the photo-induced polymerization of a dimethacrylate oligomer. New methods such as a new type of conductivity cell based on planar interdigitated electrodes to measure ionic conductivity as well as in-situ monitoring of photo-polymerization using impedance spectroscopy were used. Transport properties of lithium ion were measured by PGSE-NMR. Interestingly, a significant reduction of lithium ion mobility was observed after UV-curing while the total ionic conductivity only decreased slightly. This phenomenon is due to the formation of lithium ion complexes with ethylene oxide moieties of the solid matrix, evidenced by Raman spectroscopy measurements. Additionally, we have shown that the structures of the complexes depend on the salt concentration and a dual solid/liquid transport mechanism was suggested. Hence, in order to improve lithium ion diffusion, a co-polymer was added in an attempt to decrease the cross-linking density of the solid matrix thus improving its segmental motion. The cyclability of the all solid state micro batteries was indeed improved. Comparable performances with the standard solid electrolyte LiPON were obtained at room temperature. In summary, it was established that electrochemical performances of the solid state microbatteries depend to a certain extent on the structure of the polymer electrolyte. Therefore it is possible to find new ways in designing these types of electrolytes for further improvement.

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.

Au cours de cette thèse, un nouvel électrolyte polymère gel pour la réalisation de microbatteries au lithium a été développé. Le gel a été préparé par « confinement » d’une phase de N-propyl-N-méthylpyrrolidinium bis(fluorosulfonyl)imide (P13FSI) et de LiTFSI dans un réseau semi-interpénétré (sRip) de polymère (PVdFHFP/ réseau de POE). L’électrolyte gel a tout d’abord été optimisé et étudié en termes de propriétés physicochimiques et de transport ionique en fonction de sa composition. Ensuite, des batteries Li/LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2 ont été assemblées en utilisant l’électrolyte sRip. Les performances ont par ailleurs été comparées aux systèmes de références utilisant l’électrolyte à base de POE ou de PVdF-HFP. Outre ses propriétés améliorées par rapport au PVdF-HFP et au réseau de POE (propriétés mécaniques, confinement), l’électrolyte sRip est compatible avec le procédé de dépôt de l’électrode négative en lithium par évaporation sous vide. L’électrolyte sRip optimisé a donc été utilisé pour fabriquer une nouvelle génération de microbatteries en s’affranchissant de l’électrolyte céramique, le LiPON, afin d’abaisser la résistance interne. Les microbatteries Li/sRip gel/LiCoO2 délivrent une capacité nominale stable de 850 μAh à C sur 100 cycles à 25°C. / In this thesis, a new polymer gel electrolyte was prepared and optimized for Li based microbatteries. The gel consisted of an ionic liquid based phase (P13FSI/LiTFSI) confined in a semi-interpenetrating polymers (sIPN) network (PVdF-HFP/crosslinked PEO). sIPN electrolytes were prepared and optimized according to the PVdFHFP/ crosslinked PEO ratio and the liquid phase fraction. Furthermore, the sIPN electrolyte was used as an electrolyte in Li/LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2 battery. The performances of the battery (specific capacity, efficiency, cyclability) were determined and compared to batteries using a crosslinked PEO or PVdF-HFP based gel. Such a thin and stable sIPN electrolyte film enabled the preparation of Li based microbatteries using thermal evaporation deposition of lithium directly conducted on the sIPN electrolyte film. This assembly (Li/sIPN) was therefore used to prepare a LiCoO2/sIPN gel/Li quasi solid-state microbattery. This microbattery showed a stable nominal capacity of 850 μAh for over 100 cycles of charge and discharge under 1 C rate at 25°C.