Étude de matériaux d’anode à base de lithium métallique pour batteries lithium-soufre.

Fatahine, Mohamed (2022). Étude de matériaux d’anode à base de lithium métallique pour batteries lithium-soufre. Thèse. Québec, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 204 p.

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Résumé

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En raison de sa capacité théorique très élevée (3865 mAh g-1 ou 2062 mAh cm-3) et de son faible potentiel redox (-3,04 V par rapport à une électrode à hydrogène standard), le lithium métallique est l’un des matériaux anodiques les plus intéressants pour les batteries. Cependant, son utilisation dans les batteries rechargeables telles que les batteries Li-S est problématique en raison de la formation incontrôlée de dendrites de lithium pendant les cycles de charge/décharge, qui peut induire un court-circuit de la cellule, des réactions indésirables aggravées, la formation de Li mort, une augmentation de la polarisation et de grands changements de volume, ce qui entraînent des problèmes de sécurité, de durabilité et de faible efficacité coulombique. Diverses stratégies ont été évaluées pour empêcher la croissance des dendrites de Li. Le développement de substrats 3D est certainement une des stratégies les plus prometteuses car elle offre la possibilité de traiter différents paramètres liés au comportement dendritique du lithium (contrôle du flux d’ions, confinement du dépôt de lithium, limitation des variations de volume de l’électrode, distribution et uniformisation du flux de charges…). Par ailleurs, différentes techniques de caractérisation ont été utilisées pour étudier les changements morphologiques des électrodes de Li métallique associés à la formation de dendrites de Li. Cependant, la plupart de ces techniques donnent accès à des informations limitées car elles sont souvent réalisées dans des conditions statiques ou dans des systèmes dynamiques (operando) dont les conditions de cyclage sont très différentes des applications réelles. Dans le but d’améliorer la compréhension des mécanismes de défaillance des anodes de Li, nous avons utilisé une méthode simple et peu coûteuse pour étudier la variation de l’épaisseur de l’électrode associée au processus de dépôt/dissolution du Li. Cette technique, appelée « dilatométrie électrochimique », consiste à intégrer un capteur de déplacement dans la cellule électrochimique pour mesurer le déplacement vertical de l’électrode de travail pendant son cyclage. Dans cette thèse, cette technique est utilisée pour étudier le comportement d’expansion/contraction d’électrodes intégrant des papiers de fibres de carbone poreux commerciaux comme matrices 3D pour l’électrodépôt de Li en comparaison à ce qui est observé sur un substrat 2D conventionnel constitué d’une feuille de Cu. Dans cette étude, les impacts de la porosité et de la composition en graphite des papiers carbonés sur les variations de volume des électrodes et sur les performances au cyclage ont pu être corrélés. Dans la seconde partie de cette thèse, des électrodes poreuses de Ni et Ni-Zn ont été élaborées par la technique de dépôts électrochimiques texturés par des bulles d’hydrogène dynamiques (dynamic hydrogen bubble template (DHBT) selon la terminologie anglaise) dans le but de les évaluer en tant que matrice structurante des anodes de Li. La mouillabilité du lithium de ces électrodes en fonction de leur composition démontre l’excellente affinité des structures contenant du Zn pour le Li. Leur capacité à mieux contrôler la croissance dendritique du lithium sera discutée sur la base d’expériences de cyclage en demi-cellule. L’impact d’un précyclage, de la porosité et de la composition en Zn des électrodes sur les performances au cyclage ont été mis en évidence. Les électrodes de Ni-Zn présentent des efficacités coulombiques remarquables de ~100 % pendant plus de 550 cycles pour une densité de courant 2 mA cm-2. Les origines de ces performances ont pu être en partie déterminées (porosité, formation d’alliages de LiZn).

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Due to its very high theoretical capacity (3865 mAh g-1 or 2062 mAh cm-3) and low redox potential (-3.04 V compared to a standard hydrogen electrode), lithium metal is one of the most interesting anode materials for batteries. However, its use in rechargeable batteries such as Li-S batteries is problematic due to the uncontrolled formation of lithium dendrites during the charge/discharge cycle, which can induce cell short-circuiting, aggravated undesired reactions, dead Li formation, increased polarization, and large volume changes, resulting in safety issues, poor cycle life and low coulombic efficiencies. Various strategies have been evaluated to prevent Li dendrite growth, but the development of 3D substrates is certainly the most promising strategy, as it offers the possibility to address different parameters related to the dendritic behavior of lithium (ion flow control, confinement of the lithium deposition, limitation of the electrode volume changes, distribution and uniformity of the charge flow...). Also, different characterization techniques have been used to study the morphological changes of Li metal electrodes associated with the formation of Li dendrites. However, most of these techniques give access to limited information, as they are performed under static conditions (ex situ, in situ) or in dynamic systems (operando) whose cycling parameters are very different from real applications. In order to improve the understanding of Li anode failure mechanisms, we used a simple and inexpensive method to monitor the variation of the electrode thickness associated with the Li plating/stripping process. This technique, called "electrochemical dilatometry," involves integrating a gap sensor or displacement transducer into the electrochemical cell to measure the vertical displacement of the working electrode as it is cycled. In this thesis, this technique is used to study the expansion/contraction behavior of electrodes incorporating commercial porous C papers as 3D matrices for Li electrodeposition and compared to what is observed on a 2D Cu foil substrate. In this study, the impacts of the porosity and graphite composition of the carbon papers on the volume variations of the electrodes and on the cycling performance could be correlated. In the second part of this thesis, porous Ni and Ni-Zn electrodes were developed by the dynamic hydrogen bubble model (DHBT) method with the aim of evaluating them as a structuring matrix for Li anodes. The composition-dependent lithium wettability of these electrodes demonstrates the excellent affinity of the Zn-containing structures for Li. Their ability to better control the dendritic growth of lithium will be discussed based on half-cell cycling experiments. The impact of pre-cycling, porosity and Zn composition of the electrodes on cycling performance has been highlighted. Ni-Zn electrodes show remarkable coulombic efficiencies of ~100% for more than 550 cycles at a current density of 2 mA cm-2. The origins of these performances could be partly determined (porosity, LiZn alloy formation).

Type de document:	Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse:	Roué, Lionel
Co-directeurs de mémoire/thèse:	Guay, Daniel
Mots-clés libres:	batterie Li/S; électrode de lithium métallique; électrodépôt/électrodissolution du lithium; substrat 3D; papier carbone; matrice métallique DHBT; dilatométrie; battery Li-S; Li metal electrode; lithium electrodeposition/electrodissolution du lithium 3D substrate; carbon paper; DHBT metallic matrix; dilatometry
Centre:	Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt:	30 mars 2023 19:22
Dernière modification:	30 mars 2023 19:22
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/13241

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