Synthèse et caractérisation de couches minces de VO2 dopé au chrome en tant que nouveau matériau d'électrode dans les batteries li-ion.

Capdevila, Joan (2023). Synthèse et caractérisation de couches minces de VO2 dopé au chrome en tant que nouveau matériau d'électrode dans les batteries li-ion. Mémoire. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique / Université de Toulouse III - Paul Sabatier, Maîtrise en sciences de l'énergie et des matériaux, 137 p.

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Résumé

Les matériaux thermochromes tels que le dioxyde de vanadium (VO2) sont étudiés et utilisés pour leurs nombreuses propriétés physiques comme leur transition métal-isolant proche de la température ambiante (TIMT = 68°C), qui induit des changements brusques de conductivité électrique et optique dans l’infrarouge. Par ailleurs, ces matériaux s’avèrent être intéressant de par la possibilité de les doper avec de nombreux éléments métalliques tels que le chrome, considéré comme un des dopants métalliques de type « p » les plus efficaces. Pour une application comme les batteries Li-ion, le dopage du vanadium avec un élément comme le chrome est, en théorie, très intéressant car il permet de créer des états inoccupés proches de la bande de valence afin d’abaisser le niveau de Fermi du matériau et donc permettre le transfert d’électrons dans des états plus bas. De plus, le dopage avec un tel élément a déjà prouvé son efficacité dans l’augmentation de la température de transition et la stabilisation de phases métastables monocliniques du VO2 (M2 et T), prometteuses théoriquement mais jamais étudiées d’un point de vue expérimental pour les applications de batteries. Dans cette étude préliminaire, des couches minces de dioxyde de vanadium pur et de dioxyde de vanadium dopé au chrome ont été synthétisées par ablation laser simple faisceau en différentes conditions (mono-cible et multi-cibles). Différents substrats (Si/SiO2, titane et aluminium en annexe) ont été utilisés. Ils sont considérés pour les matériaux conducteurs, comme la face arrière d’électrodes de batterie. Différentes épaisseurs (50, 100 et 150 nm) et compositions en chrome (de 0 à 13%) ont été étudiées. Des travaux novateurs ont été mis en avant dans ce projet, à savoir l’étude des propriétés des couches minces de VO2 dopé au chrome, l’amélioration des performances électrochimiques (cyclabilité, capacité spécifique, réaction rédox) des cathodes de dioxyde de vanadium avec ajout d’un pourcentage spécifique de chrome et la découverte de ces mêmes propriétés pour des phases métastables de VO2 en tant que matériau de cathode.

Thermochromic materials such as vanadium dioxide (VO2) are studied and used for their numerous physical properties, such as their metal-insulator transition near room temperature (TIMT = 68°C), which induces abrupt changes in electrical and optical conductivity in the infrared. In addition, these materials are interesting in that they can be doped with a wide range of metallic elements, such as chromium, considered to be one of the most effective p-type metal dopants. For an application such as Li-ion batteries, doping vanadium with an element such as chromium is, in theory, very interesting, as it creates unoccupied states close to the valence band, thus lowering the Fermi level of the material and enabling electron transfer to lower states. Moreover, doping with such an element has already proved effective in increasing the transition temperature and stabilizing monoclinic metastable phases of VO2 (M2 and T), theoretically promising but never experimentally studied for battery applications. In this preliminary study, pure vanadium dioxide and chromium-doped vanadium dioxide thin films were synthesized by single-beam laser ablation under different conditions (single-target and multi-target). Various substrates (Si/SiO2, titanium and aluminum in appendix) were used. They are considered for conductive materials, such as the rear face of battery electrodes. Different thicknesses (50, 100 and 150 nm) and chromium compositions (from 0 to 13%) were studied. Innovative work in this field was highlighted in this project, namely the study of the properties of chromium doped VO2 thin films, the improvement of the electrochemical performance (cyclability, specific capacitance, redox reaction) of vanadium dioxide cathodes with the addition of a specific percentage of chromium, and the discovery of these same properties for metastable phases of VO2 as cathode material.

Type de document:	Thèse Mémoire
Directeur de mémoire/thèse:	Chaker, Mohamed
Co-directeurs de mémoire/thèse:	Dumas-Bouchiat, Frédericet Champeaux, Corinne
Mots-clés libres:	VO2; transition de phase; ablation laser; couches minces; nanoparticules; dopage; batteries Li-ion; phase transition; laser ablation; thin films; nanoparticles; doping; Li-ion batteries
Centre:	Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt:	06 déc. 2023 21:19
Dernière modification:	06 déc. 2023 21:19
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/13786

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