Ces travaux de thèse résultent d’une étude multidisciplinaire dont l’objectif final était d’élaborer une électrode négative à base de zinc pour accumulateur alcalin rechargeable. L’origine de l’étude tient en la découverte surprenante, par la société EASYL, d’un nouveau procédé de synthèse du zincate de calcium (CAZN), matière électrochimiquement active et connue pour ses bonnes caractéristiques de cyclabilité en générateur alcalin rechargeable. L’intérêt de cette découverte réside dans ses caractéristiques avantageuses : la synthèse ultra-rapide se fait en continu, n’utilise aucun système de chauffe ni de solution alcaline et conduit à une granulométrie et une pureté contrôlée du zincate de calcium ; la rendant compatible avec une production industrielle de ce matériau.L’utilisation de CAZN en batterie prismatique de 4 Ah a permis la découverte d’un fonctionnement des électrodes de type cœur-coquille, leur cœur actif étant riche en zinc et leur surface jouant le rôle de couche protectrice ; si la capacité nominale est choisie inférieure à la capacité théorique de la batterie, l’activité à cœur de l’électrode est maintenue sans que sa surface ne soit altérée, ce qui permet d’éviter (ou de ralentir) la formation de dendrite, un effet très bénéfique sur la cyclabilité de l’électrode.Cependant, l’utilisation du zincate de calcium comme seule source de matière active ne semble pas appropriée. En effet, la formation du cœur de zinc conduit à l’apparition d’une couche résistive d’hydroxyde de calcium à sa périphérie, diminuant les performances électrochimiques des électrodes. Aussi surprenant que cela puisse paraitre, il est cependant possible de régénérer une électrode vieillie ayant formé une couche riche en hydroxyde de calcium par un simple repos, soit un arrêt pur et simple de la batterie. La formation de cette couche résistive peut en outre être évitée par l’ajout d’oxyde de zinc sacrificiel au zincate de calcium, additif actif qui s’est avérée efficace tant d’un point de vue morphologique qu’électrochimique.En revanche, la formation contrôlée d’un cœur riche en zinc conduit à la densification du zinc sur lui-même, et diminue la surface de contact matière active/électrolyte et donc les performances électrochimiques. Partant de ce constat, la structure de l’électrode a été intégralement repensée pour permettre la formation, non pas d’un cœur de zinc, mais de plusieurs d’entre eux, par l’emploi de collecteurs de courant multicouches ; cette méthodologie, aussi simple qu’efficace, conduit à d’excellentes performances pratiques et une cyclabilité optimale de la batterie. / The work presented in this document results from a multidisciplinary study, the unique goal of which is to develop a negative electrode for alkaline rechargeable batteries. At the origin of this thesis, is the surprising discovery by EASYL of a new way to synthesize calcium zincate (CAZN), an electrochemically active material known for its good cycling characteristics in alkaline batteries. The advantage of such a discovery resides in its unique characteristics: the ultra-fast synthesis is carried out continuously, uses neither heating system nor alkaline solutions, yields pure and tailored CAZN crystals; it is therefore compatible with an industrial production of this material.Its use in a 4 Ah prismatic batteries allowed to unveil a core-shell operation mechanism, in which the electrode evolves towards an active zinc-core surrounded by a protective shell. So, if the nominal capacity remains below the theoretical one, the core of the electrode can be kept active while the surface is maintained, thus avoiding (or at least slowing down) possible dendrite formation and yielding prolonged cycle life.However, the use of calcium zincate as the only active material source is not appropriate, because the formation of the zinc-core leads to the appearance of a resistive layer of calcium hydroxide at its periphery, which reduces the overall electrochemical performance. As surprising as it may seem, it is possible to regenerate an electrode having formed such a calcium hydroxide-rich layer by a simple rest such as a stop of the battery. Nevertheless, it is preferable to avoid the formation of this resistive layer and to do so, the use of a mixture of sacrificial zinc oxide combined with calcium zincate has proven very effective, both from a morphological and an electrochemical point-of-view.However, the controlled formation of a zinc-rich core leads to zinc densification on itself; this decreases the surface of contact between the active material and the electrolyte, and thus the electrochemical performance. This negative effect has been overcome by drastically rethinking the structure of the electrode, in order to allow the formation of multiple and tailored zinc cores. To that goal, multilayers of current collector were employed, which proved simple and effective to reach high-performance and high cyclability zinc electrodes for alkaline batteries.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:theses.fr/2017GREAI065 |
| Date | 06 November 2017 |
| Creators | Caldeira, Vincent |
| Contributors | Grenoble Alpes, Chatenet, Marian |
| Source Sets | Dépôt national des thèses électroniques françaises |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation, Text |
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