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Caractérisation de cellules lithium/soufre.

Marceau, Hugues (2016). Caractérisation de cellules lithium/soufre. Mémoire. Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Maîtrise en sciences de l'énergie et des matériaux, 121 p.

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Résumé

La technologie lithium/soufre a le potentiel de remplacer la technologie lithium-ion dans les voitures électriques en raison du faible coût et de la faible densité du soufre. Elle présente toutefois certains problèmes de cyclabilité qu’il importe de comprendre, puis de résoudre. Ce mémoire portera sur l’analyse de cette technologie prometteuse par la combinaison d’une variété de techniques de caractérisation. Le lecteur découvrira au chapitre 1 que la pile lithium-ion est basée sur le principe de l’intercalation, où des ions lithium sont insérés et extraits de matériaux qui agissent comme des réservoirs ioniques. À l’opposé, la pile lithium/soufre est basée sur le principe de la réversibilité de la réaction électrochimique entre le soufre et des métaux alcalins tels le lithium. Les ions lithium, chargés positivement, se lient avec une molécule de soufre élémentaire insoluble, S8, qui accepte deux électrons et forme des polysulfures de lithium, solubles. La réaction se poursuit jusqu’à ce que chaque atome de soufre ait accepté 2 électrons, formant ainsi du Li2S, insoluble. Cette alternance entre produits de réactions insolubles et solubles complique l’ingénierie de ce type de pile et constitue l’une des principales problématiques présentées dans ce mémoire. Également, le lecteur trouvera au chapitre 1 quelques exemples de l’utilisation de techniques de caractérisation afin de comprendre les problèmes de la pile lithium/soufre. Le chapitre 2 présente comment les recours à la microscopie électronique à balayage (MEB), à la diffraction des rayons X et à la spectroscopie d’absorption ultraviolet-visible ont permis de comprendre les évolutions morphologiques et chimiques qui se produisent dans une pile lithium/soufre à électrolyte polymère tout solide en cours de cyclage. La sublimation du soufre dans le vide du microscope et l’instabilité des polysulfures (empêchant l’obtention de standards) a induit le développement de méthodologies de caractérisations originales. Ces méthodologies ont permis la recharge in operando d’une pile au MEB et l’analyse in operando en transmission d’une pile trouée. Les expériences réalisées avec ces méthodologies ont permis de montrer la dégradation de l’intégrité de la pile, la formation d’un catholyte, une consommation de matière active par la formation d’une couche de passivation à l’anode, ainsi que la présence et l’accumulation de certains espèces chimiques en fonction de l’état de charge de la pile. Enfin, au chapitre 3, l’importance de la conservation de l’intégrité de la pile est justifiée. Ensuite, es forces et faiblesses des méthologies employées sont présentées. Puis une discussion sur l’origine de la courte durée de vie des piles lithium/soufre ainsi que sur les moyens d’y remédier est suivie de recommandations en vue d’engendrer des travaux de recherche utiles pour le développement de cette technologie.

Abstract

The lithium / sulfur battery technology could replace the lithium-ion technology found in electric cars because of sulfur’s low cost and density. Its cyclability issues must be understood and solved beforehand. This thesis will focus on the analysis of this promising technology, using various characterisation techniques. The reader will discover in chapter 1 intercallation, where lithium ions are inserted and extracted from a matrix, similarly as in a tank. Intercallation is the foundation of lithium-ion batteries. At the opposite, the lithium/sulfur technology is based on the reversibility of the electrochemical reaction that occurs between sulfur and an alcalin material such as lithium. Positively charged lithium ions can bond with insoluble elemental sulfur, S8, which can accept 2 elections, forming a soluble lithium polysulfide. Similar reactions can continue to occur, until sulfur has accepted 2 electrons per atom, forming insoluble Li2S. This alternance between soluble and insoluble reaction products makes difficult the engineering of this type of cell. This is one of the problems highlighted in this thesis. Also in chapter 1, the reader will find examples of the usage of characterisation techniques in order to understand the problems of lithium/sulfur cells. In chapter 2, several examples of the usage of scanning electron microscope (SEM), X-ray diffraction (XRD) and UV-Visible absorption spectrometry (UV-Vis) applied to the lithium/sulfur cell characterisation are presented. More specifically, in operando SEM has been made possible by discharging the cell before insertion in the microscope chamber. Transmission UV-Vis has been performed thanks to the usage of perforated electrodes. Those two techniques have highlighted: the morphological changes in the cell, active material consumption, the formation of elemental sulfur at the end of charge, the passivation of the lithium anode and the formation and accumulation of several species at various state of charge. In chapter 3, the importance of the preservation of the cell’s integrity is justified. Also, the weakness and strengths of the employed methodologies are presented. Then, the short life of lithium/ sulfur cells is discussed and ways of improving it are introduced.

Type de document: Mémoire
Directeur de mémoire/thèse: Chaker, Mohamed
Co-directeurs de mémoire/thèse: Hovington, Pierre
Mots-clés libres: lithium/soufre; MEB; UV-Vis; pile; lithium/sulphur; SEM
Centre: Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt: 20 oct. 2016 19:34
Dernière modification: 20 oct. 2016 19:34
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/4797

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