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Anode ZnFe2O4 élaborée par pyrolyse laser pour les batteries lithium-ion : compréhension des mécanismes de stockage du lithium
Samantha Bourrioux
NIMBE/LEDNA
Fri, Feb. 02nd 2018, 10:00-12:30
Bât 774, Amphi Claude Bloch, Orme des Merisiers

Manuscrit de la thèse.

Le développement de l’électronique portable, des véhicules électriques et des énergies renouvelables a suscité un grand intérêt dans la recherche de nouvelles solutions pour le stockage de l’énergie. L’autonomie des batteries Li-ion actuelles n’est pas encore suffisante pour répondre aux besoins de ces différentes applications. En effet, le graphite, matériau d’anode le plus utilisé, possède une capacité spécifique relativement faible de 372 mAh.g-1 qui limite l’autonomie des batteries. Il est donc nécessaire de substituer le graphite par un matériau plus performant. Les oxydes ternaires de type AB2O4 (A, B : métaux de transition) sont des candidats particulièrement intéressants de par leur capacité spécifique relativement élevée (de 750 à 1000 mAh.g-1). En particulier, ZnFe2O4 est un matériau prometteur avec une capacité théorique de 1000 mAh.g-1 et une faible tension de travail (1,5V vs Li/Li+). C’est aussi un matériau peu cher, abondant et non toxique. De plus, la nanostructuration de ce matériau permettrait d’assurer une bonne stabilité mécanique et d’améliorer la cinétique du lithium lors des cycles charge/décharge.

L’objectif de cette thèse est la synthèse de nanoparticules de ZnFe2O4 par un procédé de pyrolyse laser et l’évaluation de leurs performances électrochimiques face à du lithium métallique. Ce travail de thèse se divise en deux parties : tout d’abord, l’influence de différents paramètres de synthèse (nature et débits des gaz, précurseurs utilisés, …) sur les phases cristallines et les morphologies obtenues est étudiée. Dans un second temps, plusieurs des nanopoudres obtenues par pyrolyse laser sont testées en cyclage en demi-cellule pour en évaluer les performances électrochimiques et comprendre les mécanismes régissant le stockage du lithium dans ces matériaux.

Ce travail de thèse a été réalisé en cotutelle entre l’université Grenoble-Alpes et l’université technologique de Nanyang à Singapour, et en collaboration avec le laboratoire AIME de l’université de Montpellier.

Mots-clés : Nanosciences science des matériaux .


Laser-pyrolyzed ZnFe2O4 anode for lithium-ion batteries: understanding of the lithium storage mechanisms

Abstract:

The development of portable electronics, electric vehicles and renewable energies has attracted great interest in the search for new solutions for energy storage. The autonomy of current Li-ion batteries is not yet sufficient to meet the needs of these different applications. Indeed, graphite, the most used anode material, has a relatively low specific capacity of 372 mAh.g-1 which limits the battery life. It is therefore necessary to substitute graphite with a more efficient material. The ternary oxides of the AB2O4 type (A, B: transition metals) are particularly interesting candidates because of their relatively high specific capacity (from 750 to 1000 mAh.g-1). In particular, ZnFe2O4 is a promising material with a theoretical capacity of 1000 mAh.g-1 and a low working voltage (1.5V vs Li / Li +). It is also a cheap, abundant and non-toxic material. In addition, the nanostructuring of this material would ensure good mechanical stability and improve the kinetics of lithium during charge / discharge cycles.

The objective of this thesis is the synthesis of ZnFe2O4 nanoparticles by a laser pyrolysis process and the evaluation of their electrochemical performances against metallic lithium. This thesis work is divided into two parts: firstly, the influence of various synthesis parameters (nature and flow rates of the gases, precursors used, etc.) on the crystalline phases and the morphologies obtained is studied. In a second step, several of the nanopowders obtained by laser pyrolysis are tested in half-cell cycling to evaluate the electrochemical performance and understand the mechanisms governing the storage of lithium in these materials. This thesis work was carried out jointly by the Grenoble-Alpes University and the Nanyang Technological University in Singapore, and in collaboration with the AIME laboratory of the University of Montpellier

Keywords: Nanosciences and nanotechnologies.

Contact : Yann LECONTE

 

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