Nouvelle synthèse colloidale de nanoparticules de type olivine pour les accumulateurs au lithium

Dhaybi, Sana (2010). « Nouvelle synthèse colloidale de nanoparticules de type olivine pour les accumulateurs au lithium » Mémoire. Montréal (Québec, Canada), Université du Québec à Montréal, Maîtrise en chimie.

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Résumé

L'augmentation de la consommation mondiale d'énergie électrique constitue un sujet scientifique intéressant pour la mise au point de nouveaux systèmes de stockage d'énergie. Parmi ces systèmes figurent les accumulateurs au lithium qui présentent un grand intérêt en raison de leur grande densité d'énergie massique et volumique. De nombreuses études sont orientées vers la technologie lithium-ion, menées sur les matériaux d'électrode positive (cathode), négative (anode) et les électrolytes. Notre travail vise à étudier l'un des matériaux de cathode les plus prometteurs de la famille des olivines, notamment le LiFeP04, en raison de son faible coût, sa faible toxicité et son potentiel d'opération autour de 3,5 V vs Li/Li+ qui le rend stable dans la majorité des électrolytes usuels. Dans la littérature, les recherches s'orientent vers le matériau composite LiFePO4/C pour contourner le problème de la limitation d'intercalation et de désintercalation du lithium au cours des cyclages, provenant de la faible conductivité électronique et ionique du LiFeP04. Dans cette étude, nous proposons d'obtenir des nanoparticules de LiFePO4/C par une nouvelle voie colloïdale et d'optimiser les performances électrochimiques d'une pile contenant ce matériau de cathode, en étudiant l'influence de l'ajout de carbone sur ses propriétés électrochimiques. Pour ce faire, deux procédures de synthèse (A et B) ont été développées, l'une à deux étapes et l'autre à une seule étape. Les deux procédures consistent à utiliser l'hydrogénophosphate de lithium (LiH2P04) et le chlorure ferreux (FeCl2) comme précurseurs de LiFeP04 tout en optimisant les conditions de préparation. Cette synthèse consiste à solubiliser les deux sels dans un solvant organique polaire, le N-méthylimidazole (NMI). Le précipité obtenu est ensuite recuit sous vide à différentes températures dans le but d'obtenir des nanoparticules de LiFeP04 carbonées, pures et bien cristallisées. Les particules obtenues par les deux procédures ont été caractérisées physico-chimiquement (cristallinité, morphologie, stœchiométrie et composition de surface). La diffraction des rayons X a montré que l'échantillon préparé par la voie A contient des phases secondaires cristallines, la proportion des impuretés diminuant significativement lorsque la température de recuit augmente et atteignant de 3 à 5% à 500°C. Afin d'améliorer les caractéristiques du composé LiFePO4/C, une modification de la méthode de synthèse a été apportée (procédure B). Contrairement à la procédure A, cette nouvelle procédure conduit à la formation de LiFeP04 hautement cristallin exempt d'impuretés. Des particules d'un diamètre moyen de 50 nm, de stœchiométrie Li1,06FeP1,04O4,34 (après recuit sous vide à 550°C), sont obtenues. Ces particules sont extrêmement conductrices (1,4 X 10-3 S/cm à 22°C) grâce à un contenu en carbone de l'ordre de 33% provenant de la dégradation thermique du solvant NMI lors du recuit. Le matériau LiFeP04/C provenant de la procédure B et recuit sous vide à 550°C a été caractérisé en cellule électrochimique et dans des piles bouton. L'influence de l'ajout de noir de carbone au matériau actif sur les performances électrochimiques des cathodes a été étudiée. Les études voltampérométriques ont indiqué une bonne stabilité électrochimique du matériau actif. Des piles bouton de configuration LiFeP04/C-C | LiPF6 1 M-EC/DMC | Li ont été caractérisées en mode galvanostatique et cyclées entre 2,2 et 4,0 V vs Li/Li+ à un régime de courant lent (C/10). L'ajout de 10 % de noir de carbone au matériau de cathode donne une pile plus efficace que celle avec 5%. Les capacités spécifiques correspondant au l2è cycle sont de 42 mAh/g (0% C), 104 mAh/g (5% C) et 157 mAh/g (10% C). Le ratio Décharge/Charge étant de ~ 1,0, cela implique que la quantité d'ions lithium extraite de la structure du matériau lors de la charge est égale à la quantité d'ions lithium insérés lors de la décharge (excellente réversibilité électrochimique). Les capacités obtenues dans ce travail sont généralement plus élevées que celles tirées de la littérature (méthodes de synthèse différentes) pour des piles de composition similaire et avec des taux de charge/décharge semblables. La plus faible dimension des particules de LiFeP04 obtenues dans ce travail contribue certainement à ces résultats. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Phosphate de fer lithié, LiFeP04/C, N-méthylimidazole (NMI), voie colloïdale, accumulateur lithium-ion, cyclages galvanostatiques.

Type: Mémoire accepté
Informations complémentaires: Le mémoire a été numérisé tel que transmis par l'auteur
Directeur de thèse: Marsan, Benoît
Mots-clés ou Sujets: Nanoparticule, Accumulateur, Synthèse chimique, Phosphate de fer lithié, Pile au lithium
Unité d'appartenance: Faculté des sciences > Département de chimie
Déposé par: Service des bibliothèques
Date de dépôt: 04 nov. 2010 15:06
Dernière modification: 01 nov. 2014 02:16
Adresse URL : http://www.archipel.uqam.ca/id/eprint/3468

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