Raju, Anjana Raj
(2025).
« Scanning probe techniques applicable to batteries » Thèse.
Montréal (Québec), Université du Québec à Montréal, Doctorat en chimie.
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Résumé
Les piles lithium-ion (LIB) ont émergées comme une solution prometteuse pour exploiter durablement les énergies renouvelables et électrifier les transports ainsi que les secteurs industriels afin de lutter contre le changement climatique. Toutefois, les performances des piles classiques ne sont pas suffisantes pour ces applications qui nécessitent des capacités de charge rapide ainsi qu'une densité énergétique, une durée de vie et une sécurité élevées. Le principal problème est la limitation de la densité de puissance des piles lithium-ion causée par la lenteur du transport des ions Li+ à travers les pores remplis d'électrolyte (phase liquide) et à l'intérieur du matériau actif (phase solide) dans les électrodes composites. Lorsque les électrodes atteignent une épaisseur significative, c’est le transport dans la phase liquide qui limite la puissance lors de l’application de densités de courant élevées. Le transport dans la phase liquide peut être grandement influencé par les paramètres architecturaux de l’électrode tels que la porosité, l’épaisseur et la tortuosité de celle-ci. L'optimisation de ces paramètres dans les électrodes de batterie de la prochaine génération peut améliorer le transport de masse en phase liquide et, par conséquent, améliorer leurs densités de puissance. Les techniques existantes utilisées pour étudier l'impact des paramètres architecturaux des électrodes sur le transport de masse ne permettent pas de distinguer les différences de transport dans les phases solide et liquide. De plus, puisque les paramètres architecturaux comme la porosité et la tortuosité, varient à l'échelle microscopique dans l'ensemble de l'électrode composite, il est crucial d'analyser leur effet sur le transport de masse à l'aide de techniques offrant une haute résolution spatiale. C'est la principale motivation de cette thèse. Par conséquent, cette thèse étudie l'impact des paramètres architecturaux de l'électrode sur le transport de masse en phase liquide, en particulier en utilisant des méthode microscopie à sonde locale (SPM) telles que la microscopie électrochimique à balayage (SECM) et la microscopie de conductance ionique à balayage (SICM). La SECM étant l'une des principales techniques utilisées dans cette thèse, le deuxième chapitre a été consacré à un résumé de ses tendances récentes et démontre l'application étendue de divers modes de SECM pour étudier les cathodes, les anodes et les processus de transport d'ions dans les piles ainsi que la réaction d'oxydation de l'hydrogène, la réaction de réduction de l'oxygène et le transport membranaire dans les piles à combustible et les supercondensateurs. Il met également en évidence les domaines qui doivent être explorés par la SECM. Le troisième chapitre illustre comment la SICM et la SECM peuvent être utilisées dans des études expérimentales pour mesurer le transport en phase de liquide exclusivement dans les électrodes Li4Ti5O12. La conclusion importante est la nature complémentaire de la SECM et de la SICM pour les mesures de transport de masse utilisant les nombres de MacMullin (NM). En outre, ces techniques ont été utilisées pour étudier l'hétérogénéité des films grâce à la cartographie topographique 2D. Le quatrième chapitre traite de l'importance des différences de géométrie des substrats sur le transport de masse. Une approche de modélisation SECM 3D est employée dans cette étude pour analyser l'effet géométrique sur le transport de masse dans trois types de substrats (SP, HF-1 et HF-2) ayant la même porosité et la même épaisseur. Notre étude démontre que, lorsque la complexité géométrique augmente, le transport devient plus lent à travers les pores, comme l'indiquent les faibles courants de sonde SECM et les valeurs NM élevées. Alors que les chapitres III et IV traitent de l'importance des paramètres architecturaux de base, notamment la porosité et l'épaisseur, ainsi que de la géométrie du substrat, le chapitre V s'intéresse à la rugosité de la surface, un autre paramètre qui influence le courant de sonde SECM. Cette étude numérique SECM 3D démontre que le courant de sonde est une combinaison de la rugosité de surface ainsi que de la porosité des substrats et est plus prononcée dans le cas des substrats rugueux. Ainsi, cette étude souligne la nécessité de mesurer la rugosité de la surface des substrats poreux avant de les utiliser pour des études de transport de masse par SECM. Les études expérimentales et la modélisation numérique des SPM discutées dans cette thèse peuvent améliorer les connaissances existantes sur l'impact des différents paramètres architecturaux sur le transport de masse à l'échelle microscopique. En outre, ces études seront utiles pour la conception de futures piles à haute performance.
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MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : piles lithium-ion, transport de masse, SECM, SICM, nombre de MacMullin, modèle 3D, coefficient de diffusion effectif, conductivité effective
| 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 B. |
| Mots-clés ou Sujets: |
Batteries au lithium-ion / Électrodes / Transport de masse / Microscopie électrochimique à balayage / Microscopie à conductance ionique à balayage |
| Unité d'appartenance: |
Faculté des sciences > Département de chimie |
| Déposé par: |
Service des bibliothèques
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| Date de dépôt: |
26 févr. 2025 14:41 |
| Dernière modification: |
26 févr. 2025 14:41 |
| Adresse URL : |
http://archipel.uqam.ca/id/eprint/18526 |
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