Electrospun NASICON nanofibers as solid electrolytes for lithium batteries.

La Monaca, Andrea (2022). Electrospun NASICON nanofibers as solid electrolytes for lithium batteries. Thèse. Québec, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 162 p.

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Résumé

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Pour réduire notre dépendance aux combustibles fossiles et tirer le meilleur parti des sources d'énergie renouvelables, le développement de dispositifs de stockage et de conversion d'énergie plus performants est essentiel. Les batteries au lithium à l'état solide (ASSLB) sont probablement l'une des technologies les plus prometteuses. Leur fonctionnement est basé sur les mêmes principes que les batteries lithium-ion (LIB), toutefois, les ASSLB présentent un électrolyte solide, qui remplace tant le séparateur que l'électrolyte liquide. L'électrolyte solide permet l'utilisation tant d'une cathode dense que de Li métallique comme anode, obtenant ainsi des densités d'énergie plus élevées et une meilleure sécurité par rapport aux LIB. Malgré cela, les ASSLB ne sont pas encore prêtes pour la distribution commerciale, car elles présentent des problèmes intrinsèques qui doivent être résolus, tels que la formation d'interfaces électrolyte/électrode homogènes ou la faible conductivité ionique à température ambiante. Cette thèse porte sur l'étude de diverses propriétés des matériaux NASICON (Natrium Superionic Conductor) à base de lithium. Nous nous sommes initialement concentrés sur l'optimisation de la synthèse à l'état solide de Li1+xAlxTi2-x(PO4)3 (LATP), en évaluant les effets de l'utilisation des précurseurs TiO2 rutile et anatase sur la cristallisation du LATP et sur la conductivité ionique des pastilles préparées par hot-pressing. Une stratégie alternative pour synthétiser LATP est la méthode sol–gel, qui peut être couplée à la technique d'électrospinning pour fabriquer des nanofibres céramiques. Dans ce travail, nous rapportons qu'une pression de 150 MPa appliquée à une membrane nanofibreuse de LATP avant la calcination est une méthode efficace pour améliorer sa conductivité ionique, ce qui en fait un bon candidat pour le développement d'électrolytes céramiques et de polymères composites. Devant l'impossibilité d'adapter directement la méthode de préparation du LATP à la synthèse des nanofibres de Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3 (LAGP), nous avons développé une nouvelle méthode de synthèse basée sur des précurseurs à base de chlorures. Les nanofibres de LAGP ont été caractérisées sous forme d'une membrane céramique nanofibreuse et d'une charge pour électrolytes polymères à base d'oxyde de polyéthylène, montrant des résultats prometteurs en termes de propriétés physiques et électrochimiques. Enfin, l'influence d'une substitution partielle de Ge par Ti sur la synthèse et les propriétés des nanofibres électrofilées de LAGP a été étudiée. L'ajout de Ti s'est avéré être une stratégie efficace pour améliorer tant la pureté que la morphologie des nanofibres. De plus, la conductivité ionique au-dessus de 40 °C est améliorée lorsque des nanofibres LAGP avec Ti sont utilisées comme charges.

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To reduce our addiction to fossil fuels and better exploit the renewable sources of energy, more efficient electrochemical storage and conversion devices must be developed. All-solid-state lithium batteries (ASSLBs) are presumably one of the most promising technologies. Their operation is based on the same principles of lithium-ion batteries (LIBs), however, ASSLBs feature a solid electrolyte, which replaces both the separator and the liquid electrolyte. The solid electrolyte enables the use of both a dense cathode and metallic Li as anode, thus achieving higher energy densities and better safety than LIBs. However, ASSLBs are not yet ready for commercial deployment, as they come with intrinsic issues that must be addressed, such as the formation of homogeneous electrolyte/electrode interfaces or the low ionic conductivity at room temperature. This thesis is focused on the investigation of several properties of Li-based NASICON (Natrium Superionic Conductor) materials. We initially focused on the optimization of the solid-state synthesis of Li1+xAlxTi2-x(PO4)3 (LATP), by studying the effects of the use of rutile and anatase TiO2 precursors on LATP crystallization and on the ionic conductivity of the resulting pellets, prepared by hot pressing. An alternative strategy to synthesize LATP is the sol–gel method, which can be coupled with the electrospinning technique to fabricate ceramic nanofibers. In this work, a 150 MPa pressure applied on a nanofibrous LATP membrane before calcination is proposed as an effective method to improve its ionic conductivity, thus making it a good candidate for the development of ceramic and composite polymer electrolytes. Since LATP preparation method could not be directly adapted to the synthesis of Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3 (LAGP) nanofibers, we developed a new synthesis route, based on chloride precursor materials. LAGP nanofibers were characterized in the form of full-ceramic nanofibrous membrane and of fillers for polyethylene oxide-based polymer electrolytes, showing promising results in terms of physical and electrochemical properties. Finally, the influence of a partial substitution of Ge with Ti on the synthesis and properties of electrospun LAGP fibers was investigated. The addition of Ti proved to be an effective strategy to improve both the purity and the morphology of the nanofibers. Moreover, the ionic conductivity above 40 °C is enhanced when Ti-substituted LAGP nanofibers are used as fillers.

Type de document:	Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse:	Rosei, Federico
Co-directeurs de mémoire/thèse:	Vijh, Ashok
Mots-clés libres:	batteries au lithium à l'état solide; électrolyte solide; électrolyte polymère composite; LATP; LAGP; NASICON; conductivité ionique; electrospinning; sol–gel; hot-pressing; all-solid-state lithium batteries (ASSLBs); solid electrolyte; composite polymer electrolyte; ionic conductivity
Centre:	Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt:	30 mars 2023 18:57
Dernière modification:	30 mars 2023 18:57
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/13181

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