Étude d’un matériau cathodique à base d’oxyde de nickel-manganèse-cobalt par spectroscopie d’impédance électrochimique pour les batteries aux ions lithium
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Publication date
2020Author(s)
Charbonneau, Valérie
Subject
Batterie aux ions lithiumAbstract
Depuis leur commercialisation en 1991, les batteries aux ions lithium font partie intégrante des technologies de stockage d’énergie mobile et stationnaire. Celles-ci sont actuellement utilisées dans plusieurs domaines d’avenir de la société tels que l’électromobilité et le stockage d’énergie renouvelable. Il est donc devenu impératif de développer des outils diagnostiques permettant l’évaluation des paramètres liés au vieillissement des batteries aux ions lithium. En effet, l’utilisation prolongée de ce type de batteries rechargeables provoque l’apparition de plusieurs phénomènes de dégradation qui résultent en la diminution de la capacité et de la puissance initiales d’une batterie aux ions lithium. Ainsi, l’application d’une méthode diagnostique couplée à de la modélisation permet d’évaluer des paramètres liés à la dégradation de ces batteries afin d’améliorer leur durée de vie et d’assurer le maintien de leur performance. Parmi les outils diagnostiques utilisés en électrochimie, la spectroscopie d’impédance électrochimique se démarque comme étant une méthode d’analyse des résistances et des capacités internes d’un système à l’étude. De plus, elle permet l’évaluation de la diffusion liquide et solide des espèces ioniques de ce même système. En utilisant l’oxyde de nickel-manganèse-cobalt lithié (LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2, NMC111) comme matériau modèle d’électrode positive, une méthode diagnostique utilisant la spectroscopie d’impédance à basse fréquence a été développée afin d’étudier l’évolution des paramètres internes de dégradation de ce matériau cathodique (résistances, capacités et coefficient de diffusion à l’état solide des ions lithium) en fonction de l’état de charge de la batterie.
Dans la première partie de ce manuscrit, le développement et la validation de cette méthode sont décrits en détail. Une cellule à trois électrodes de type Swagelok a été utilisée afin d’obtenir un spectre d’impédance électrochimique qui représente seulement les paramètres internes de la cathode. En effet, l’insertion d’une micro-référence d’or lithiée entre les électrodes positive et négative d’une cellule permet la déconvolution des spectres d’impédance électrochimique. Cette lithiation s’effectue in situ, c’est-à-dire en réduisant du lithium à la surface de la coupe transversale du fil d’or de 50 μm de diamètre après l’assemblage de la cellule. Par la suite, ce système a été utilisé afin d’évaluer l’effet de l’état de charge de la batterie sur les paramètres internes de la cathode, et ce durant le premier cycle de charge/décharge et après un court vieillissement de 50 cycles. De plus, trois potentiels limites supérieurs ont été choisis (4,2, 4,4 et 4,6 V vs Li/Li+) afin d’observer l’effet de cycler à l’extérieur de la plage de stabilité du NMC111 sur les paramètres de dégradation étudiés. La méthode diagnostique consiste donc à effectuer des analyses de spectroscopie d’impédance électrochimique à chaque tranche de 5 à 10% d’état de charge atteinte ou perdue durant la charge ou la décharge, respectivement, et ce à différents potentiels limites supérieurs. De cette façon, l’évolution des paramètres de transfert de charge (résistances de l’électrolyte, de contact et de transfert de charge et capacités de contact et de double couche) et de masse (coefficient de diffusion à l’état solide des ions lithium) a été observée selon le potentiel à circuit ouvert de la batterie.
Ensuite, la deuxième partie de ce document explore la synthèse de NMC monocristallin par co-précipitation dans un réacteur à agitation constante. Contrairement au NMC polycristallin utilisé pour le développement de la méthode diagnostique, le NMC monocristallin est moins affecté par certains phénomènes de dégradation telle la formation de fissures interparticulaires. Ainsi, en effectuant la synthèse de NMC monocristallin il a été possible de comparer l’évolution des paramètres de transfert de charge (résistances de l’électrolyte, de contact et de transfert de charge et capacités de contact et de double couche) pour le premier cycle de charge/décharge à 4,2 V vs Li/Li+. Ces résultats sont préliminaires, c’est-à-dire que davantage d’optimisation de la méthode de synthèse du NMC monocristallin est nécessaire pour ensuite appliquer l’ensemble de la méthode diagnostique. Cette section décrit donc une première perspective intéressante au projet qui utiliserait la méthode diagnostique précédemment développée.
Collection
- Moissonnage BAC [4682]
- Sciences – Mémoires [1807]
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