Savignac, Laurence
(2022).
« Développement et analyse de systèmes à transition de phase en tant que composantes cathodiques appliquées aux piles lithium-ion » Thèse.
Montréal (Québec, Canada), Université du Québec à Montréal, Doctorat en chimie.
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Résumé
L’industrie des batteries Li-ion connaît une croissance importante depuis le début des années 2000, non seulement pour les applications de télécommunications dont elle a permis le développement, mais en particulier pour son utilisation dans les technologies vertes incluant les véhicules électriques. La question se pose encore à savoir : à quel point ces technologies sont réellement respectueuses de l’environnement. Le recyclage des batteries ainsi que l’analyse du cycle de vie complet de celles-ci sont nécessaires même si les technologies commercialisées seront grandement dépendantes du marché. En tant que chercheur-euse, il est possible de contribuer au développement de batteries plus vertes et plus durables de deux façons : par le choix des matériaux étudiés et par l’amélioration de leurs performances dans les dispositifs. La compréhension des processus fondamentaux est essentielle pour permettre l’essor de nouveaux matériaux avec un design d’électrode optimisé. Cette perspective fondamentale sera développée en particulier lors des deux premiers chapitres concernant le LiFePO4 et son homologue LiMnyFe1-yPO4. Le troisième chapitre traitera presque exclusivement du côté appliqué d’une pile Li-ion afin d’y inclure des matériaux recyclés dans la formulation. La somme de ces travaux permettra de lier les processus fondamentaux et l’application à différentes échelles afin d’arriver à un design d’électrode qui s’inscrit dans la lignée du développement durable.D’abord, l’accent est mis sur le processus microscopique qu’est le transport du Li+, à même l’électrolyte ainsi que dans des particules de LixFePO4. L’utilisation d’une solution solide métastable de Li0,6FePO4 agit en tant que véhicule pour l’étude du processus fondamental. Comme le transport du Li+ évolue relativement lentement, i.e. plusieurs jours, pour des particules isolées, contrairement à un matériau dans une pile, la caractérisation du matériau peut être réalisée en utilisant des instruments couramment disponibles en contexte académique. La diffraction des rayons X (DRX) a permis de détecter différentes cinétiques de transition de phase dépendamment de l’environnement qui entourait les particules révélant un mécanisme de transport du Li+ à la surface. Ensuite, le deuxième chapitre traite du LiMnyFe1-yPO4, un matériau comprenant deux métaux de transition comme site rédox actif afin d’élucider l’effet du manganèse sur le transport du Li+. La résonance magnétique nucléaire à rotation à l’angle magique (RMN MAS) a permis de sonder les noyaux de Li+ dans différents environnements. La relaxation plus rapide des noyaux lorsque compris dans une solution solide est une indication d’un avantage au niveau du transport du Li+. Concrètement, ces conclusions pourraient contribuer au développement du LiMnyFe1-yPO4 un rare matériau à haute densité d’énergie qui est composé de métaux de transition abondants.
Finalement, un nouveau design d’électrode composite a été développé spécifiquement dans le but d’inclure des fibres de carbone recyclées provenant du secteur aéronautique. Cette nouvelle électrode autoportante est un assemblage de LiFePO4, de fibres de carbones recyclées et de polymère conducteur et permet le retrait du collecteur de courant métallique et du solvant toxique utilisé lors de la mise en forme. En atteignant une valeur de densité d’énergie compétitive, ce composite servira d’exemple dans le design d’électrodes plus respectueuses de l’environnement. Parmi les conclusions, la surface des particules a été identifiée comme un élément principal dans le processus du transport du Li+ lors de la charge et la décharge du matériau actif. La RMN s’est avérée être un outil primordial pour sonder le Li+ dans différents environnements et est partie intégrante des suggestions de travaux futurs. Finalement, les avenues pour développer des électrodes plus vertes sont prometteuses, incluant le LiMnyFe1-yPO4 comme nouveau matériau à haute densité d’énergie ainsi que les fibres de carbone recyclées comme collecteur de courant réinventé.
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MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Batterie Li-ion, densité d’énergie, transition de phase, cathode, olivine, LiFePO4, LiMnyFe1-yPO4, transport du Li+, fibres de carbone recyclées
| Type: |
Thèse ou essai doctoral accepté
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| Informations complémentaires: |
Fichier numérique reçu et enrichi en format PDF/A. |
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Directeur de thèse: |
Schougaard, Steen Brian |
| Mots-clés ou Sujets: |
Batteries au lithium-ion / Densité d'énergie / Transitions de phase / Cathodes / Matériaux / Conception durable |
| Unité d'appartenance: |
Faculté des sciences > Département de chimie |
| Déposé par: |
Service des bibliothèques
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| Date de dépôt: |
06 avr. 2022 08:02 |
| Dernière modification: |
06 avr. 2022 08:02 |
| Adresse URL : |
http://archipel.uqam.ca/id/eprint/15356 |
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