Campanella, Daniele
(2023).
« Optimization of ceramic materials for application as solid-state electrolytes in lithium batteries » Thèse.
Montréal (Québec, Canada), Université du Québec à Montréal, Doctorat en chimie.
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Résumé
L’intérêt pour les batteries à l'état solide en tant que technologie post-lithium-ion a sensiblement augmenté dans la recherche moderne, en raison de la variété des nouvelles chimies d'électrolytes, permettant des performances élevées, et de leur sécurité améliorée par suite de l'élimination des électrolytes inflammables. Les caractéristiques de l'électrolyte solide jouent un rôle crucial dans la détermination de l'efficacité de la cellule. Aujourd’hui, les oxydes inorganiques, y compris les NASICONs et les grenats, représentent la classe des électrolytes solides la plus explorée. Ces matériaux présentent une conductivité élevée à température ambiante et une stabilité chimique notable vis-à-vis du lithium métallique. La synthèse des oxydes est généralement effectuée selon des méthodes à l'état solide à haute température, qui nécessitent de longs temps de réaction et des températures très élevées, par conséquent, de sérieux efforts doivent être entrepris pour améliorer le processus de fabrication. L'objet de cette thèse est la modification des conditions de synthèse d'une série de matériaux oxydes, dont le Li1+xAlxTi1−x(PO4)3 (LATP) de type NASICON et les grenats Li5La3Bi2O12 (LLBO) et Li7La3Zr2O12 (LLZO). Le traitement de tous ces composés implique l'utilisation de la technique de pressage à chaud pour le frittage thermique. Diverses approches de fabrication ont été utilisées, y compris la substitution élémentaire et l'application d'auxiliaires de frittage pour diminuer la température de formation des structures finales. La formation des électrolytes est étudiée par diffraction de rayons-X (DRX) in situ pour identifier le mécanisme d'évolution des phases du produit en fonction de la température. L'optimisation de la taille des particules peut être obtenue en modifiant correctement les conditions de travail, comme montré pour le LATP qui réalise le meilleur compromis entre la distribution des particules et la concentration des impuretés après un traitement thermique à 700 °C. La variation des paramètres externes peut également contribuer à rendre la phase souhaitée plus stable à température ambiante: un tel comportement est observé pour le LLBO qui se stabilise en choisissant judicieusement la température de frittage entre 600 et 650 °C, alors qu'une température plus élevée conduit à une décomposition thermique. L'ajout d'un agent externe a démontré un impact positif sur l'évolution et le frittage thermique des pastilles céramiques, et ceci est observé pour le LLZO, qui présente une température de formation plus faible après l'incorporation de matériaux carbonés dans le mélange de recuit. Un comportement semblable peut pareillement être observé après dopage aliovalent de la structure avec des ions tellure. Ces deux approches se sont avérées efficaces pour obtenir une phase stabilisée à des températures de travail remarquablement inférieures à celles généralement requises pour la synthèse à l'état solide des grenats. En plus de cela, les matériaux modifiés présentent des dimensions de particules plus homogènes qui permettent une meilleure densification et l'atteinte d’une densité plus élevée. Tous les matériaux étudiés, à la fois les NASICONs et les grenats, rapportent des valeurs de conductivité particulièrement élevées compte tenu du traitement thermique à basse température, souvent comparables à celles rapportées dans les précédentes études sur la synthèse conventionnelle à haute température. L'amélioration des propriétés électrochimiques dévoile les avantages du pressage à chaud pour produire des électrolytes solides plus performants et confirme l'efficacité des modifications à l'état solide étudiées dans ce travail.
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MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Batteries au lithium, Électrolytes solides, Matériaux céramiques, Pressage à chaud, Frittage à basse température
| 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: |
Bélanger, Daniel |
| Mots-clés ou Sujets: |
Piles au lithium / Piles à électrolyte solide / Matériaux céramiques / Pressage |
| Unité d'appartenance: |
Faculté des sciences > Département de chimie |
| Déposé par: |
Service des bibliothèques
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| Date de dépôt: |
27 févr. 2024 09:44 |
| Dernière modification: |
27 févr. 2024 09:44 |
| Adresse URL : |
http://archipel.uqam.ca/id/eprint/17417 |
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