 Matériaux et composites pour électrodes de batteries au lithium |
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Porteur de la recherche : Dr. Bernard LESTRIEZ (MC)
Participants:
Dr. D. Guyomard (DR), Dr. J. Gaubicher (CR), Dr. P. Moreau (MC), Dr. P. Soudan (IE), Dr. A-C. Gaillot (MC)
Post-doctorants, Doctorants, Masters (année 2007-2008) : Dr. P. Mongondry, Dr. N. Boscher, W. Porcher, C. Fongy, A. Boisard, S. Desaever, S. Pedneault, K.A. Sied. |
Figure 1: zoom d'une électrode composite pour batterie au lithium montrant un grain de matériau actif entouré de l'agent conducteur (noir de carbone) et de liant. En batterie, la porosité de l'électrode est remplie par l'électrolyte liquide. |
Les électrodes pour batteries au lithium sont des matériaux composites obtenu en mélangeant une poudre d'un matériau électroactif (AM) avec des additifs non-électroactifs comme du noir de carbone (agent conducteur électronique, CB) et un liant polymère. Ce milieu très complexe doit être conducteur mixte à la fois des ions Li+ et des électrons, de façon à ce que ces réactifs soient acheminés le plus efficacement possible jusqu'à chacun des grains du matériau actif. Pour augmenter la densité d'énergie et la puissance ainsi que la durée de vie des batteries au lithium, le design de l'électrode composite est important. Cela implique la recherche d'une architecture d'électrode via le choix de la composition des additifs non-électroactifs, et l'ajustement des conditions de mise en œuvre de la suspension ou la pâte d'électrode, comme le choix du ou des outils de dispersion adaptés aux matériaux, le choix de la concentration et de la nature du solvant volatile, et l'optimisation des conditions d'enduction des collecteurs de courant par la suspension ou pâte d'électrode. Du point de vue scientifique, il s'agit d'un champ de recherche excitant et pluridisciplinaire, à l'intersection de l'électrochimie des solides, la rhéologie, la science des dispersions solide/liquide et des polymères.
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L'objectif de notre travail est donc de mieux comprendre les relations qui existent entre la composition de l'électrode composite (positive ou négative), les conditions de mise en œuvre et de process, l'architecture dans le film d'électrode et ses performances électrochimiques. Dans ce but :
- Les dispersions (pâtes) d'électrode sont caractérisées par une combinaison de techniques telles que la granulométrie laser pour la mesure de la distribution en taille des particules), la mesure du potentiel de surface (zéta) des particules au contact du solvant, la rhéologie et la rhéomicroscopie pour la détermination des propriétés d'écoulement et la morphologie des dispersions (Figure 2).
- L'architecture de l'électrode après séchage est identifiée par microscopie électronique à transmission et à balayage (Figure 1), par spectroscopies infra-rouge et Raman, et par des mesures de surface spécifique (BET).
- Les propriétés électriques sont mesurées pas spectroscopie d'impédance et spectroscopie diélectrique large bande (collaboration avec J-C. Badot), et les propriétés mécaniques sont mesurées avec une machine de force.
- Les performances électrochimiques sont mesurées à l'aide de batteries prototypes (cellule SwagelokTM à deux ou trois électrodes), le cyclage étant piloté typiquement par un VMPTM en mode galvanostatique ou potentiostatique (Figure 3).
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Figure 2 – Courbe d'écoulement d'une dispersion d'électrode et clichés réalisés avec un microscope optique qui montrent une structure floculée au repos et la destruction de cette structure lors de l'application d'un cisaillement.
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Fig. 3 – Courbes de charge-décharge (tension versus la composition en lithium dans le matériau actif Li1,1+xV3O8) au 2ème, 10ème et 50ème cycles et Capacité de décharge vs. Le nombre de cycles, pour une batterie dont l'électrode positive a pour composition [80wt% Li1,1V3O8 12wt% CB 8wt% PMMA]. La procédure de cyclage (mode galvanostat) est standard et correspond à l'insertion d'un ion lithium par groupement formulaire V3O8 en 2,5 h durant la décharge et d'un ion lithium en 5 heures durant la charge. |
Publications |
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GUY D., LESTRIEZ B., GUYOMARD D.
New composite electrode architecture and improved battery performance from the smart use of polymers and their properties,
ADV. MATER. 2004, 16 N°6, 553-557
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GUY D., LESTRIEZ B., BOUCHET R., GAUDEFROY V., GUYOMARD D.,
Tailoring the Binder of Composite Electrode for Battery Performance Optimization,
ELECTROCHEM. SOLID-STATE LETT. 2005, 8(1), A17-A21
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GUY D., LESTRIEZ B., BOUCHET R. GUYOMARD D.
Critical role of polymeric binders on the electronic transport properties of composites electrode
J. ELECTROCHEM. SOC. 2006, 153(4), A679-A688
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LIGNEEL E., LESTRIEZ B., HUDHOMME A., GUYOMARD D.
Effects of the solvent concentration (solid loading) on the processing and properties of the Composite Electrode
J. ELECTROCHEM. SOC. 2007 153 A235-A241
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LIGNEEL E., LESTRIEZ B., HUDHOMME A., GUYOMARD D.
On the origin of the pre-plasticizer effect of the composite electrode for lithium batteries
Electrochemical and Solid-State Letter. 2007 10 A122-A126
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LESTRIEZ B., BAHRI S., SANDU I., ROUE L., GUYOMARD D.
On the binding mechanism of CMC in Si negative electrodes for Li-Ion batteries
Electrochemistry Communications 2007 9 2801-2806
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| Chapitres de livres |
| Lestriez B, Ligneel E, Guy D, Guyomard D (2007) "Improved Li-ion batteries from tailored processing and binders." In: Zhang SS (ed) Advanced Materials and Methods for Lithium-Ion Batteries. Transworld Research Network, chapter 10. |
| Brevets |
Matériau pour électrode composite, procédé pour sa préparation,
D. Guyomard, D. Guy, B. Lestriez, J. Gaubicher et M. Deschamps,
Demande de brevet français CNRS-BATSCAP n°0302891 du 07-03-2003, publiée sous le n° FR 2 852 148. Demande de brevet PCT/FR04/009529 pour extension internationale tous pays, déposée le 5-03-04, publiée le 23/09/2004 sous le n° WO 2004/082047. |
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