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AbstractAbstract
[en] This study focuses on the optimization of innovative composite materials Si/Intermetallic/Al/C used as negative electrode in lithium-ion batteries. The aim of this work is optimize the composition of a 20Ni-48Sn-20Si-3Al-9C composite to improve its electrochemical performances. All materials are made up of silicon nanoparticles embedded in a sub micrometric matrix. Several issues have been studied in this essay: optimization of the silicon and carbon contents, influence of the silicon surface composition, and substitution of the former intermetallic Ni3+xSn4 by other ones: zinc aluminium compound Al0,23Zn0,77 and two intermetallics Cu6Sn5 et CoSn. Metallic compounds and composites have been synthesised by powder metallurgy and mechanical alloying, respectively. Their chemical and structural properties have been determined by electron probe microanalysis, X-ray diffraction, scanning electron microscopy and transmission electron microscopy. Electrochemical characterisations have been carried out by galvanostatic cycling and cyclic voltammetry in coin and Swagelok half cells. This report details the influence of the studied parameters on the structural properties of the composite materials. A large study was devoted to the influence of carbon and silicon contents on the achievement of a homogeneous matrix, which is mandatory to get good electrochemical performances. Influence of the composition of silicon surface and intermetallic on the microstructure and electrochemical properties of the composites was also studied. Thus, we have shown that intermetallics reacting moderately with Si during mechanical alloying have better electrochemical properties. The best electrochemical properties have been obtained for the nominal composition Ni0.13Sn0.15Si0.26Al0.04C0.42. This material provides a reversible capacity of 650 mAh.g-1 during 1000 cycles. The use of carbon coated silicon improves the stability of the SEI during cycling even if this composite still has to be optimized. (author)
[fr]
Ce memoire est consacre a l'etude de materiaux composites innovants du type Si/Intermetallique/Al/C utilises comme materiaux d'electrodes negatives pour les batteries lithium ion. L'objectif de ces travaux est d'optimiser un materiau de composition 20Ni-48Sn-20Si-3Al-9C ayant ete developpe auparavant pour obtenir les meilleures performances electrochimiques. Ce materiau se presente sous la forme de nanoparticules de silicium enrobees par une matrice submicrometrique. Plusieurs strategies ont ete mises en oeuvre: optimisation des teneurs en carbone et en silicium, influence de l'etat de surface du silicium sur les proprietes electrochimiques et remplacement de l'intermetallique Ni3+xSn4 par d'autres alliages: un compose zinc-aluminium Al0,23Zn0,77 et deux intermetalliques Cu6Sn5 et CoSn. Les composes intermetalliques ont ete synthetises par metallurgie des poudres et les materiaux composites par mecanosynthese. Les proprietes chimiques et structurales de ces materiaux ont ete determinees par microsonde de Castaing, diffraction des rayons X et microscopies electroniques. Les caracterisations electrochimiques ont ete realisees en demi-cellules (Swagelok et bouton) par cyclage galvanostatique et par voltametrie cyclique. Ce memoire detaille l'influence des parametres etudies sur les proprietes structurales. Une large etude a notamment ete menee sur l'influence des teneurs en carbone et en silicium sur l'obtention d'une matrice homogene, une condition necessaire pour atteindre de bonnes performances electrochimiques. Le meme type d'etude a ete mene sur l'influence de l'effet de surface du Si et la nature de l'alliage utilise. Il a par exemple ete montre de meilleurs resultats electrochimiques pour les intermetalliques presentant une reactivite moderee avec le silicium lors du broyage mecanique. Les meilleures performances ont ete obtenues pour la composition Ni0.13Sn0.15Si0.26Al0.04C0.42. Ce composite presente une capacite de 650 mAh.g-1 pendant 1000 cycles. L'utilisation d'un silicium carbone en surface ameliore la stabilite en cyclage de la SEI meme si son utilisation reste a optimiser. (auteur)Original Title
Optimisation de materiaux composites Si/Intermetallique/Al/C utilises comme electrode negative dans des accumulateurs Li-ion
Primary Subject
Source
20 Feb 2015; 233 p; 241 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses; These Docteur de l'Universite Paris-Est, Specialite: Sciences des materiaux
Record Type
Miscellaneous
Literature Type
Thesis/Dissertation
Report Number
Country of publication
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INIS IssueINIS Issue