Conception et caractérisation de nouveaux matériaux nanostructurés pour le développement de piles au lithium

Saulnier, Mathieu (2018). « Conception et caractérisation de nouveaux matériaux nanostructurés pour le développement de piles au lithium » Thèse. Montréal (Québec, Canada), Université du Québec à Montréal, Doctorat en chimie.

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Résumé

Hydro-Québec participe au développement économique québécois depuis plus de 70 ans. Depuis quelques années, l'électrification des transports est devenue une priorité pour la société d'État et le gouvernement québécois. En effet, l'enjeu est important et permettrait de créer des emplois, diminuer les émissions de CO2, la consommation de pétrole et ainsi garder les sommes d'argent à l'intérieur du territoire québécois. La technologie de batteries lithium-ions est au cœur de ce développement. Cependant, les coûts et les performances de celles-ci sont encore loin des demandes exigées afin de satisfaire le grand public. Il est donc impératif d'améliorer les performances de la technologie présentement sur le marché. Il y a trois grands paramètres majeurs qui doivent être perfectionnés. Le premier est l'augmentation de l'énergie spécifique. Cette amélioration doit absolument provenir de la synthèse de nouveaux matériaux ayant des capacités et des potentiels standard plus élevés. Le deuxième paramètre est la puissance spécifique de ces matériaux. Afin d'obtenir une puissance accrue dans une batterie lithium-ion, il est nécessaire d'améliorer la vitesse ou la distance de diffusion du lithium. Il y a plusieurs options possibles tel que l'amélioration de la diffusion a l'intérieur même du matériau actif, la diminution de la taille des particules ou augmenter la surface de contact et diminuer la distance entre les deux électrodes. Le dernier paramètre est certainement l'abaissement des coûts des matériaux dans une batterie. Cela peut être atteint en diminuant la masse des matériaux inactifs, en utilisant des synthèses plus efficaces pour les matériaux actifs et trouver de nouveaux matériaux actifs moins coûteux. Il y a deux grands vecteurs de recherche associés à cette thèse qui sont en accord avec les trois grands paramètres majeurs qui doivent être améliorés. Le premier volet, plus analytique, est en parallèle avec le premier paramètre qu'est l'augmentation de l'énergie spécifique. Un nouveau matériau de cathode à énergie spécifique élevé a été développé par notre partenaire industriel. Deux LiFe0.3Mn0.7PO4 (LFMP) provenant de différentes méthodes de synthèse ont été fournis. Il a été démontré que les matériaux de batteries lithium-ion contenant du manganèse tel que le LiMn2O4 (LMO) sont enclins à se dissoudre dans l'électrolyte de batterie. Quelques études ont publié des travaux sur la dissolution du LFMP, mais aucune n'avait démontré une attention envers la possibilité d'interférences et aussi l'intervalle de confiance des résultats obtenus. Il était donc nécessaire de développer une méthode sans interférences et validée afin d'établir un protocole d'évaluation de la dissolution des matériaux de cathodes, ce qui n'avait jamais été fait dans la littérature. Cette méthodologie a permis de déterminer les paramètres critiques influençant la dissolution des matériaux. Les travaux sont présentés dans le chapitre 2. Le deuxième volet de la thèse concerne les deux autres paramètres d'amélioration que sont l'augmentation de la puissance spécifique et la diminution des coûts. Le concept de batterie 3D permet une augmentation de la surface ainsi que la diminution de la distance entre les électrodes qui ont un impact direct avec la puissance. De plus, les techniques de synthèse utilisées sont choisies avec l'optique de diminution des matériaux inactifs afin de minimiser les coûts de production. Le plan global de cette synthèse est constitué de trois étapes. La première est de fabriquer une anode de carbone ayant une configuration 3D poreuse. Ensuite, cette anode sera isolée électriquement par un séparateur. Finalement, la structure de carbone poreux et isolé sera infiltrée par un matériau de cathode afin de compléter le dispositif 3D. Un film mince de carbone sans ajout de matériaux inactif (agent liant ou agent conducteur) a été évalué en tant qu'anode. Le nouveau type de carbone, le graphène multicouche a été synthétisé avec la technique de déposition de vapeur chimique. (CVD) L'analyse systématique des paramètres de synthèse (température et temps de dépositions) a permis l'optimisation du matériau. Les résultats électrochimiques obtenus sont équivalents ou supérieurs lorsque comparés à des structures similaires dans la littérature. Les travaux sont présentés au chapitre 3. Un nouveau séparateur d'épaisseur nanométrique (< 500nm) pour les batteries lithium-ion a été développé. En utilisant le greffage électrochimique et l'anode de carbone comme électrode de travail, il a été possible de fixer le séparateur directement sur cette dernière. Le séparateur inhibe le transfert de charge et permet la diffusion ionique du lithium vers la structure de carbone en ayant un impact mineur sur les résultats électrochimiques. Les travaux sont présentés au chapitre 4. La dernière étape afin d'obtenir la batterie 3D complète est l'infiltration du matériau de cathode à l'intérieur de l'anode de carbone isolé. Cette partie est encore en évaluation et pas assez développée pour l'ajouter à la thèse. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Batterie lithium-ion, Phospho-olivine, Dissolution du manganèse, Batterie 3D, Carbone, Graphène multi-couches, Électrode négative, Électro-greffage, Diazonium, Séparateur électronique, Nano-matériaux

Type: Thèse ou essai doctoral accepté ()
Informations complémentaires: La thèse a été numérisée telle que transmise par l'auteur.
Directeur de thèse: Schougaard, Steen Brian
Mots-clés ou Sujets: Batteries au lithium-ion / Énergie -- Stockage -- Matériaux / Dissolution du manganèse / Batteries 3D / Électrodes de carbone / Anodes / Graphène / Greffage chimique / Séparation (Technologie) / Nanomatériaux / Électricité dans le transport
Unité d'appartenance: Faculté des sciences > Département de chimie
Déposé par: Service des bibliothèques
Date de dépôt: 04 juin 2018 09:22
Dernière modification: 04 juin 2018 09:22
Adresse URL : http://archipel.uqam.ca/id/eprint/11326

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