Clément Meyssonnier

Vendredi 12 avril à 9h00 - Optimisation d’anodes à base de silicium et étude de l’interface électrode / collecteur de courants nus et revêtus.

Résumé :

L’amélioration du stockage de l’énergie est un challenge important du futur. L’oxyde de silicium (SiO_x, 0≤ x ≤2) est l’un des matériaux anodiques les plus prometteurs pour remplacer le graphite dans les batteries Li ions grâce à sa capacité spécifique 5 fois supérieure (1800 vs. 372 mA h g^-1). Malheureusement, ce gain s’accompagne d’une expansion volumique des particules de +140%_vol pendant la lithiation contre seulement +10%_vol pour le graphite. Cette expansion implique trois causes principales de défaillance, dont la dégradation mécanique de l'électrode et possiblement sa délamination du collecteur de courant. Afin de solutionner ces problèmes, nous avons travaillé sur l’optimisation et la rationalisation de la formulation d’électrodes SiO_x / graphite. Pour cela, deux paramètres ont été introduits et étudiés : le taux de recouvrement des poudres de l’électrode par le liant, défini par la masse de liant rapportée à la surface développée par les poudres ; et le taux de contact carbone / SiO_x, défini par la surface développée par les poudres de graphite et d’additif conducteur carboné rapportée à la surface développée par la poudre de SiOx. Nous montrons ici qu’il existe des valeurs critiques de ces paramètres pour lesquelles les performances électrochimiques des électrodes sont optimisées, et que la connaissance de ces paramètres permet une extrapolation rapide de formulations pré-optimisées d’électrodes de plus fortes teneurs en SiO_x (de 23%_m à 40%_m). Enfin, l’interface entre les électrodes à base de SiO_x et des collecteurs de courant en cuivre nu, et en particulier des collecteurs revêtus ont été étudiés.

Mots clés : Electrochimie, Li-ion, anode, silicium, collecteur de courant, formulation

Si-based anode optimization and study of electrode / current collector interface

Abstract :

Improving energy storage is an important challenge of the future. Silicon oxyde (SiO_x, 0≤ x ≤2) is one of the most promising anode materials to replace graphite in Li ion batteries thanks to its 5 times higher specific capacity (1800 vs. 372 mA h g^-1). Unfortunately, this gain is accompanied by a volume expansion of the particles of +140%_vol during lithiation compared to only +10%_vol for graphite. This expansion involves three main causes of failure, including mechanical degradation of the electrode and possibly its delamination from the current collector. In order to solve these problems, we worked on the optimization and rationalization of the formulation of SiO_x / graphite electrodes. For this, two parameters were introduced and studied: the coverage ratio of the electrode powders by the binder, defined by the mass of binder relative to the surface area developed by the powders; and the carbon / SiO_x contact ratio, defined by the surface area developed by the graphite and carbon conductive additive powders relative to the surface area developed by the SiO_x powder. We show here that there are critical values of these parameters for which the electrochemical performances of the electrodes are optimized, and that knowledge of these parameters allows rapid extrapolation of pre-optimized formulations of electrodes with higher SiOx contents (from 23%_wt to 40%_wt). Finally, SiO_x-based electrode / current collector interface were studied, especially with primed current collector.

Keywords : Electrochemistry, Li-ion, anode, silicon, current collector, formulation