Boluwatife Igbaroola

Mercredi 4 décembre à 9h00 - Caractérisation et compréhension du SEI dans les batteries Li-ion à base de silicium et de liquide ionique

Résumé :

Les batteries lithium-ion de la prochaine génération devraient offrir une densité énergétique plus élevée, être plus abordables et améliorer la sécurité. Les anodes en silicium offrent une voie prometteuse pour atteindre une densité énergétique plus élevée par rapport aux anodes traditionnelles en graphite utilisées dans les batteries commerciales actuelles. Toutefois, plusieurs problèmes liés au silicium ont entravé sa commercialisation à grande échelle. Une solution potentielle consiste à utiliser des électrolytes liquides ioniques (IL), dont la volatilité est négligeable et qui peuvent améliorer la sécurité des batteries lithium-ion. Pour améliorer encore les performances des batteries à base de silicium, il est crucial de comprendre interphase électrode/électrolyte (SEI), son développement et la manière dont elle affecte les performances de la batterie.

La première partie de cette thèse se concentre sur l'étude de l'évolution de l'IES dans les électrodes de silicium et de mélange silicium/graphite, en utilisant des techniques telles que la RMN MAS, le XPS et le STEM-EDS. Ces électrodes ont été cyclées dans des systèmes d'IL de phosphonium hautement concentrés dans des configurations de demi-cellule et de cellule complète.

La deuxième partie de la thèse explore le développement d'électrolytes à l'état solide en confinant les électrolytes IL dans une matrice polymère (ionogel) et examine comment cela affecte la diffusion des ions Li+. Enfin, les performances de l'ionogel synthétisé ont été évaluées dans diverses configurations de batteries lithium-ion.

Les résultats de cette thèse contribuent à une meilleure compréhension de la SEI dans les batteries à base de silicium et du potentiel des électrolytes liquides ioniques et des ionogels pour améliorer les performances et la sécurité des batteries. Les résultats peuvent guider le développement de batteries Li-ion avancées avec une densité énergétique et une durabilité accrue.

Mots clés : Batteries au lithium-ion, silicium, liquide ionique, interphase solide-électrolyte, ionogel, batteries à l'état solide

Characterization and understanding of the SEI in Li-ion batteries based on silicon and ionic liquid

Abstract :

Next-generation lithium-ion batteries are expected to offer higher energy density, be more affordable, and improve safety. Silicon anodes provide a promising path to achieve higher energy density compared to the traditional graphite anodes used in today's commercial batteries. However, several challenges associated with silicon have hindered its widespread commercialization. One potential solution is to use ionic liquid (IL) electrolytes, which have negligible volatility and can enhance the safety of lithium-ion batteries. To further improve the performance of silicon-based batteries, it is crucial to understand the solid electrolyte interphase (SEI), its development, and how it affects battery performance.

The first part of this thesis focuses on investigating SEI evolution in silicon and silicon/graphite blend electrodes, using techniques such as MAS NMR, XPS, and STEM-EDS. These electrodes were cycled in highly concentrated phosphonium IL systems in both half-cell and full-cell configurations.

The second part of the thesis explores the development of solid-state electrolytes by confining IL electrolytes in a polymer matrix (ionogel) and examines how this affects lithium ion diffusion. Finally, the performance of the synthesized ionogel was evaluated in various lithium-ion battery configurations.

The findings of this thesis contribute to a deeper understanding of the SEI in silicon-based batteries and the potential of ionic liquid electrolytes and ionogels for improving battery performance and safety. The results may guide the development of advanced Li-ion batteries with enhanced energy density and durability.

Keywords : Lithium-ion batteries, silicon, ionic liquid, solid-electrolyte interphase, ionogel, Solid-state batteries