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Batteries Li-ion

par Anne-Marie - publié le , mis à jour le

Contacts : F. Ozanam
Participants : F. Ozanam, M. Rosso, C. Henry de Villeneuve
Ingénieur de recherche : N. T. Phung

Les batteries lithium-ion sont une des meilleures solutions actuelles pour le stockage de l’énergie électrique. Des électrodes négatives à base de silicium, au lieu du carbone actuellement utilisé, permettraient d’améliorer encore leurs performances. Cependant, ce matériau subit des variations de volume très importantes pendant les cycles de charge/décharge, qui provoquent une dégradation rapide de la batterie.
Nous travaillons sur un nouveau matériau dérivé du silicium, le silicium amorphe méthylé (Fig.1), qui a l’avantage de mieux accommoder les variations de volume. Nos études, réalisées sur des électrodes en couches minces (épaisseur ≤ 400 nm), ont mis en évidence une bien meilleure stabilité au cours des cyclages (environ 80% de la capacité initiale préservée pendant plus de mille cycles) et un rendement faradique - charge restituée sur charge stockée - très proche de l’unité.
Depuis 2022, en collaboration avec le Laboratoire de Mécanique des Solides de l’Ecole Polytechnique, nous étudions le couplage entre contrainte mécanique et processus de lithiation/délithiation du silicium.

Fig. 1 : Structure à l’échelle atomique du silicium amorphe méthylé : les sphères de couleur bleu-cyan représentent les atomes de silicium, les sphères grises et jaunes les groupements méthyles (1 carbone lié à 3 hydrogènes et à 1 silicium).

Thèses récentes :
Yue Feng (2021), "Lithiation of Methylated Amorphous Silicon"
https://theses.hal.science/tel-03696528v1/document
Ngoc Tram Phung (2023), "Methylated amorphous silicon for Li-ion batteries"
https://theses.hal.science/tel-04532178v1/document
Collaborations : IRCP (Chimie ParisTech), ICMPE (Thiais), LMS (Ecole Polytechnique)
Financements : E4C, DGA, chaire Total-DTER, chaire EDF-Développement durable.

Publications récentes :
[Feng2022b] ToF-SIMS Li depth profiling of pure and methylated amorphous silicon electrodes after their partial lithiation, Feng, Y., Koo, B. M., Seyeux, A., Światowska, J., Henry de Villeneuve, C., Rosso, M., Ozanam, F., ACS APPL. MATER. INTERFACES 14 (2022) 35716-35725
https://doi.org/10.1021/acsami.2c08203
[Feng2022a] Controlling homogeneity of the first lithiation in methylated amorphous silicon, Feng, Y., Cheriet, A., Panagopoulou, M., CHenry-de-Villeneuve, C., Rosso, M., Ozanam, F., ELECTROCHIM. ACTA 403 (2022) 139655.
https://doi.org/10.1016/j.electacta.2021.139655
[Feng2019] Lithiation of pure and methylated amorphous silicon : monitoring by operando optical microscopy and ex situ atomic force microscopy, Feng, Y., Ngo, T.-D.-T., Panagopoulou, M., Cheriet, A., Koo, B. M., Henry-de-Villeneuve, C., Rosso, M., Ozanam, F., ELECTROCHIM. ACTA 302 (2019) 249-258.
https://doi.org/10.1016/j.electacta.2019.02.016
[Koo2018] Lithiation Mechanism of Methylated Amorphous Silicon Unveiled by Operando ATR-FTIR Spectroscopy, Koo, B. M., Dalla Corte, D. A., Chazalviel, J.-N., Maroun, F., Rosso, M., Ozanam, F., ADVANCED ENERGY MATERIALS 8 (2018) 702568
https://doi.org/10.1002/aenm.201702568