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Surface and atomic modification of stable alkali metal anode: towards high-utilization alkali metal batteries.

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Yang, Tingzhou (2021). Surface and atomic modification of stable alkali metal anode: towards high-utilization alkali metal batteries. Thèse. Québec, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 190 p.

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Résumé

En raison de leurs densités d'énergie gravimétriques et volumétriques plus élevées, les batteries au lithium-ion (Li-ion) sont la technologie dominante dans le domaine du stockage d'énergie. Cependant, les batteries Li-ion commerciales à base d'anode de graphite, dont la capacité théorique limitée est inférieure à 300 Wh kg⁻¹, ne peuvent pas répondre à la demande croissante de véhicules électriques modernes et de réseaux intelligents. Le fabricant mondial de batteries suscite un immense intérêt pour l'augmentation des densités d'énergie à plus de 500 W h kg⁻¹. De plus, le lithium n'est pas un élément naturellement abondant. Le prix du carbonate de lithium est passé de 5,180 dollars américains par tonne métrique en 2010 à 13,000 dollars américains par tonne métrique en 2019. Par conséquent, les ressources limitées en lithium et la forte demande de hautes densités d'énergie élevées dans les véhicules électriques ont motivé le développement des batteries rechargeables de nouvelle génération afin de remplacer les batteries Li-ion actuelles. Parmi toutes les possibilités, l'anode au lithium métal (Li métal) est fortement considérée en guise de l'alternative de l'anode à base de graphite, en raison de son faible potentiel redox (-3.04V vs SHE) et de sa capacité spécifique théorique élevée (3860 mAh g⁻¹). Malheureusement, la formation incontrôlée de dendrites, le grand changement de volume et l'interface instable pendant le cycle électrochimique entravent les applications des anodes métalliques Li, ce qui réduit la durée de vie du cyclage et entraîne des risques pour la sécurité, notamment des courts-circuits internes et un emballement thermique. De nombreux efforts ont été consacrés à la résolution des défis mentionnés ci-dessus de l'anode en métal Li, tels que le collecteur de courant poreux tridimensionnel (3D), les additifs d'électrolyte, la couche d'interphase d'électrolyte solide artificielle (SEI) et le contrôle du dépôt spatial. Dans mon premier chapitre, comme alternative à la feuille de Li plane, une mousse de Li métallique poreuse en 3D, autoportante accompagnée d'une couche de SEI inhérente, a été construite par gravure chimique. La matrice poreuse servant de squelette rigide conduit à une distribution de charge plus uniforme et oriente ainsi le dépôt de Li. La couche SEI artificielle peut supprimer la formation de dendrites de Li et les réactions secondaires. Le deuxième chapitre a dans l’objectif de concevoir et de synthétiser un collecteur de courant basé sur des groupes ou des sites d'atomes uniques pour anode en métal alcalin. La dispersion uniforme des atomes simples et des agrégats d'Au sur un tissu de charbon actif guide uniformément le dépôt de Li / Na, limitant ainsi la croissance des dendrites. En raison d'une distribution optimisée du champ électronique, les atomes et les clusters uniques d’Au favorisent non seulement le dépôt de Li / Na avec un surtension de nucléation nulle similaire aux nanoparticules Au, mais ils ont également une grande affinité et des interactions avec les ions Li / Na dans l'électrolyte, offrant des positions d'adsorption stables pour Atomes de Li / Na. Dans le troisième chapitre, le collecteur de courant basé sur un seul atome de Zn a été synthétisé par pyrolyse et absorption entre les particules de Zn et les ligands imidazolate. Les sites d'atomes uniques de Zn, qui servent d '«aimant» puissant pour les ions Na, peuvent guider la nucléation uniforme du Na métallique et exempts de court-circuit induit par la dendrite.

Abstract

Due to its higher gravimetric and volumetric energy densities, lithium-ion (Li-ion) batteries are the dominant technology in the field of energy storage. However, the commercial Li-ion batteries based on graphite anode with a limited theoretical capacity of less than 300 Wh kg⁻¹ cannot fulfill the increasing demand for modern electric vehicles and smart grids. There is immense interest around the global battery manufacturer to increase the energy densities to more than 500 W h kg⁻¹. Furthermore, lithium is not a naturally abundant element. The price of lithium carbonate is increased from 5180 U.S. dollars per metric ton in 2010 to 13000 U.S. dollars per metric ton in 2019. Hence, the limited lithium resources and strong demand for high energy densities in electric vehicles have motivated the development of next-generation rechargeable batteries to replace current Li-ion batteries. Among all the possibilities, lithium metal (Li metal) anode is strongly considered as the alternatives to the graphite-based anode, owing to its low redox potential (-3.04 V vs SHE) and high theoretical specific capacity (3860 mAh g⁻¹ ). Unfortunately, the uncontrolled formation of dendrites, the large volume change, and the unstable interface during electrochemical cycling hinder the applications of Li metal anodes, which reduce the cycling life and lead to safety hazards including internal short circuits and thermal runaway. Many efforts have been devoted to addressing the above challenges of Li metal anode, such as three dimensional (3D) porous current collector, electrolyte additives, artificial solid electrolyte interphase (SEI) layer, and spatial deposition control In my first chapter, as an alternative to planar Li foil, freestanding 3D porous Li metal foam accompanied by an inherent SEI layer has been constructed via chemical etching. Porous matrix served as a rigid backbone leads to more uniform charge distribution and thus orients the Li deposition. The artificial SEI layer can suppress the formation of Li dendrites and side reactions. The second chapter intends to design and synthesize cluster-based or single atom site-based current collectors for alkali metal anode. The uniform dispersion of Au single atoms and clusters on activated carbon cloth was reported to guide Li/Na deposition uniformly, thereby constraining the growth of dendrites. Due to an optimized electron field distribution, Au single atoms and clusters not only favor Li/Na deposition with zero nucleation overpotential similar to Au nanoparticles, but also have great affinity and interactions with Li/Na ions in the electrolyte, providing stable adsorption positions for Li/Na atoms. In the third chapter, the single Zn atom sites based current collector was synthesized by pyrolysis and absorption between Zn particles and imidazolate ligands. Single Zn atom sites, which serve as a strong “magnet” for Na ions, can guide the metallic Na uniform nucleation and free from dendrite-induced short circuit.

Type de document: Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Rosei, Federico
Mots-clés libres: stockage d'énergie; batterie lithium-ion; batterie sodium-ion; batterie lithium-métal; batterie sodium métal; anodes en métal alcalin; structure poreuse 3D; atomes uniques; utilisation élevée; energy storage; lithium-ion battery; sodium-ion battery; lithium metal battery; sodium metal battery; alkali metal anodes; 3d porous structure; single atoms; high utilization
Centre: Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt: 20 mai 2022 18:22
Dernière modification: 20 mai 2022 18:22
URI: https://espace.inrs.ca/id/eprint/12558

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