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1 proposition(s).

Synthèse d'alliages base silicium pour électrodes négatives d'accumulateurs Li-ion

Département de l'Electricité et de l'Hydrogène pour les Transports (LITEN)

Laboratoire Matériaux

Master 2 Matériaux, électochimie

01-10-2020

SL-DRT-20-0868

cedric.haon@cea.fr

Le silicium apparaît comme le matériau d'électrode négative le plus prometteur pour les batteries Li-ion. En effet, sa capacité spécifique théorique de 3579 mAh/g lui permet d'être une alternative au graphite (372mAh/g) pour les applications à haute densité d'énergie. Cependant, il présente une expansion volumique pouvant atteindre près de 300% lors de l'insertion du lithium. Ces variations de volume conduisent à la pulvérisation des particules et à l'instabilité de l'intephase solide-électrolyte (SEI), et donc à la dégradation des électrodes et à la chute rapide des performances électrochimiques au cours des cycles de charge-décharge. Des améliorations sont possibles en réduisant la taille des particules autour de 100 nm afin de limiter la décrépitation mécanique ou bien en développant des composites silicium-carbone avec des nanostructures complexes. Ainsi, la structure des électrodes reste stable mais les phénomènes aux interfaces deviennent prépondérants et tous les critères de performances requis pour une densité d'énergie élevée ne sont plus respectés. Une des tendances actuelles pour envisager une application viable à moyen terme est de développer des structures avec des nano-domaines de silicium emprisonnés dans une matrice assurant conductivité ionique et électronique et limitant les surfaces d'interaction avec l'électrolyte. Pour ce faire, des procédés « hors équilibres » tels que la trempe sur roue ou le broyage haute énergie permettent de synthétiser des alliages métalliques avec les caractéristiques requises et des performances électrochimiques intéressantes. Notre collaboration avec l'IRAMIS (Nathalie Herlin) autour de la synthèse par pyrolyse laser pour des applications batteries a permis de montrer l'intérêt des alliages Silicium ? Germanium et de l'hétérostructure originale obtenue. Ils ont fait l'objet d'un brevet en cours et d'une publication. L'objectif de cette thèse est de poursuivre les travaux sur les alliages Si-Ge pour comprendre l'influence de l'addition du germanium, l'impact de structure c?ur-coquille SiGe@Si et substituer le germanium. Une collaboration avec Laure Monconduit est proposée pour ces travaux sur ces alliages synthétisés par broyage. Le travail de doctorat proposé consistera, dans un premier temps, à réaliser des compositions identifiées par pyrolyse laser et par broyage pour la compréhension des mécanismes de (dé)lithiation. Dans un second temps, des éléments de substitution seront recherchés et évalués. Une optimisation morphologique et microstructurale pourra ensuite être effectuée en fonction des performances électrochimiques obtenues. Des analyses de microscopie électronique à balayage et en transmission ainsi que des techniques de surfaces pourront permettre de caractériser les alliages synthétisés et les mécanismes associés. L'interaction forte avec différentes équipes de recherche (DRT/LITEN ? DRF/IRAMIS ? CNRS/ICGM) sera un des atouts importants pour la réussite de ce travail.

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