FR3072500A1 - Utilisation d'une batterie li-ion comprenant une anode contenant un alliage a base d'etain et d'antimoine - Google Patents

Utilisation d'une batterie li-ion comprenant une anode contenant un alliage a base d'etain et d'antimoine Download PDF

Info

Publication number
FR3072500A1
FR3072500A1 FR1759702A FR1759702A FR3072500A1 FR 3072500 A1 FR3072500 A1 FR 3072500A1 FR 1759702 A FR1759702 A FR 1759702A FR 1759702 A FR1759702 A FR 1759702A FR 3072500 A1 FR3072500 A1 FR 3072500A1
Authority
FR
France
Prior art keywords
carbonate
battery
use according
ion battery
tisnsb
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
FR1759702A
Other languages
English (en)
Other versions
FR3072500B1 (fr
Inventor
Laure Montconduit
Lenaic Madec
Gael Coquil
Herve Martinez
Gregory Gachot
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Satt Axlr Du Languedoc Roussillon
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Montpellier I
Universite de Picardie Jules Verne
Ecole Nationale Superieure de Chimie de Montpellier ENSCM
Universite de Montpellier
Universite de Pau et des Pays de lAdour
Original Assignee
Satt Axlr Du Languedoc Roussillon
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Montpellier I
Universite de Picardie Jules Verne
Ecole Nationale Superieure de Chimie de Montpellier ENSCM
Universite de Montpellier
Universite de Pau et des Pays de lAdour
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Satt Axlr Du Languedoc Roussillon, Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Universite de Montpellier I, Universite de Picardie Jules Verne, Ecole Nationale Superieure de Chimie de Montpellier ENSCM, Universite de Montpellier, Universite de Pau et des Pays de lAdour filed Critical Satt Axlr Du Languedoc Roussillon
Priority to FR1759702A priority Critical patent/FR3072500B1/fr
Priority to PCT/FR2018/052575 priority patent/WO2019077263A1/fr
Publication of FR3072500A1 publication Critical patent/FR3072500A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of FR3072500B1 publication Critical patent/FR3072500B1/fr
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052Li-accumulators
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/056Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
    • H01M10/0564Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes the electrolyte being constituted of organic materials only
    • H01M10/0566Liquid materials
    • H01M10/0567Liquid materials characterised by the additives
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/056Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
    • H01M10/0564Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes the electrolyte being constituted of organic materials only
    • H01M10/0566Liquid materials
    • H01M10/0568Liquid materials characterised by the solutes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/056Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
    • H01M10/0564Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes the electrolyte being constituted of organic materials only
    • H01M10/0566Liquid materials
    • H01M10/0569Liquid materials characterised by the solvents
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/44Methods for charging or discharging
    • H01M10/443Methods for charging or discharging in response to temperature
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/44Methods for charging or discharging
    • H01M10/446Initial charging measures
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/38Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/38Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys
    • H01M4/387Tin or alloys based on tin
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Abstract

La présente invention concerne l'utilisation d'une batterie Li-ion comprenant une anode contenant un alliage à base d'étain et d'antimoine, à température élevée, pour réduire la perte de capacité lors du cyclage de ladite batterie.

Description

La présente invention concerne l’utilisation d’une batterie Li-ion comprenant une anode contenant un alliage à base d’étain et d’antimoine, à température élevée, pour réduire la perte de capacité lors du cyclage de ladite batterie.
Commercialisées pour la première fois en 1991, les batteries lithium-ion occupent aujourd'hui une place prédominante sur le marché de l'électronique, notamment de l’électronique portable. Leurs principaux avantages sont une énergie massique élevée (deux à cinq fois plus que le nickel-hydrure métallique par exemple) ainsi que l'absence d'effet mémoire, Enfin, l'auto-décharge est relativement faible par rapport à d'autres accumulateurs.
Avec les développements récents et rapides des industries de la communication de l'information, la technologie lithium-ion doit aujourd’hui répondre à des demandes toujours plus grandes, en particulier sur le plan de l'autonomie et de la durée de vie. En outre, les appareils électroniques se doivent d’être plus petits, plus légers, plus minces et plus portables.
En conséquence, la demande pour des batteries (notamment en tant que source d'alimentation d'un dispositif électronique) ayant une densité d'énergie plus élevée est particulièrement forte.
L’électrolyte non aqueux utilisé pour les batteries lithium-ion comprend généralement un solvant électrolytique, un sel de lithium, et éventuellement des additifs. Cependant, le solvant électrolytique et les additifs peuvent se dégrader à la surface des électrodes, ce qui peut provoquer l’instabilité de la batterie.
On sait que de tels problèmes peuvent être partiellement résolus au moyen d’une couche de SEI (Solid Electrolyte Interface), ou couche de passivation, formée sur la surface de l’anode au moyen de la réduction du solvant électrolytique lors du chargement initial de la batterie. Cependant, la couche de SEI est généralement insuffisante pour former un film protecteur de l'anode, solide et stable dans le temps. En effet, les performances électrochimiques s’amenuisent au for et à mesure des charges/décharges de la batterie, probablement dues en grande partie à des réactions parasites à l'interface électrode/électrolyte.
Ainsi, l’un des objectifs de la présente invention est de fournir une utilisation particulière de batterie lithium-ion, permettant d’augmenter les performances de ladite batterie lithium-ion, notamment en termes de diminution de la perte de capacité au cours des cyclages.
Un autre but de la présente invention est de fournir des dispositifs performants comprenant une batterie lithium-ion et soumis à une température particulière.
De façon surprenante, les Inventeurs ont remarqué que des batteries comprenant une anode spécifique avaient une tenue de la capacité en cyclage et de l’efficacité coulombique très nettement supérieures à haute température, notamment à 60°C, comparées à 25°C.
Notamment, une couche de passivation plus stable se forme à 60°C pour des électrodes à base de Ti, Sn et Sb, comparée à celle formée à 25°C.
Ceci est tout-à-fait contre-intuitif au vu de l’ensemble des résultats de la littérature. En effet, lorsque la température de cyclage augmente, une augmentation des réactions parasites est normalement observée et conduit à une diminution des performances en cyclage, II s’agit notamment d’une plus forte consommation/dégradatiori des solvants et/ou additifs. En effet, la couche de SEI, en particulier, est généralement thermiquement instable. Ainsi, dans le cas où une batterie est utilisée ou laissée à température élevée, la couche de SEI se dégrade généralement du fait de l’augmentation avec la température des réactions de dégradation de l’électrolyte, et donc des réactions parasites, nuisant aux performances de la batterie.
En particulier, du CO2 est généré en continu lors de la décomposition de l'électrolyte et des additifs éventuels, ce qui augmente la pression intérieure et l'épaisseur de la batterie.
Il est d’ailleurs connu que la capacité la batterie se dégrade lors de cyclages à température élevée. Par exemple, la capacité d'une batterie Li-ion classique diminue de 15% à chaque cycle lorsqu’elle est chargée et déchargée à un régime de 0,5 C (2 heures de charge, décharge) dans une plage de tension de 4,3 à 3,5 V à une température de +55 °C (Handbook of batteries; David Linden, Thomas B. Reddy; 3ème Edition, 2001 ; McGraw-Hill, 35.15).
Aussi, un premier objet de l’invention concerne l’utilisation d’une batterie Li-ion comprenant une anode contenant un alliage de type TiSnSb, à une température de 40 à 80°C, en particulier à environ 60°C, pour réduire la perte de capacité lors du cyclage de ladite batterie, dans laquelle la perte de capacité lors du cyclage à ladite température est inférieure à la perte de capacité lors d’un cyclage à 25°C.
Dans ce qui précède et dans ce qui suit, ladite température est notamment comprise entre 42 et 78, entre 44 et 76, entre 46 et 74, entre 48 et 72, entre 50 et 70, entre 52 et 68, entre 54 et 66, entre 56 et 64, ou entre 58 et 62°C.
L’alliage ternaire TiSnSb peut être préparé selon toute technique connue de l’homme du métier, et notamment selon le mode opératoire décrit par Sougrati et al. (J. Mater. Chem. 2011, 21, 10069), dans lequel des poudres de Ti, Sn et Sb en proportions stoechiométriques Ti/Sn/Sb de 1/1/1 ou en proportions Ti/Sn/Sb de 1,1/1/1 sont intimement mélangées sous argon, notamment par mécanosynthèse, par exemple par broyage à boulets.
De façon optionnelle, l’alliage selon la présente invention, en particulier TiSnSb, peut être recuit, par exemple à environ 450°C, et/ou pendant environ une semaine. Ainsi, dans tout le présent texte, le terme « alliage » couvre de façon indifférente les termes « alliage non recuit » ou « alliage recuit », sauf indication contraire.
Ladite anode est notamment une électrode à poudre, ladite poudre comprenant ou étant constituée par ledit alliage de type TiSnSb. Cette électrode à poudre est une électrode dont la matière active est sous forme de poudre.
Cette poudre peut en outre comprendre un additif conducteur et/ou un liant.
L’additif conducteur est par exemple choisi dans le groupe constitué du noir de carbone, du noir d'acétylène, du carbone nanoporeux, du graphite, des fibres de carbone, des nanotubes de carbone, et des nanofibres de carbone. L’additif conducteur est notamment un mélange de noir de carbone et de fibres de carbone.
En particulier, l’additif conducteur est présent dans la poudre à raison de 5 à 30% en masse, en particulier à raison d’environ 15% à environ 18% en masse.
Le liant peut être choisi parmi les liants bien connus de l’homme du métier, notamment les copolymères styrène-butadiène, les polyesters, les polyéthers, les dérivés polymère méthylméthacrylate, les dérivés polymère d’acrylonitrile, la carboxyméthyl cellulose (CMC) et ses dérivés, les polyvînyle acétates ou polyacrylate acétates, les polyflorures de vinylidène (PVdF), et leurs mélanges.
Le liant est par exemple choisi dans le groupe constitué de la carboxyméthyl cellulose (CMC) et des copolymères styrène-butadiène carboxylé, en particulier le latex Styrofan®, et leurs mélanges.
En particulier, le liant est présent dans la poudre à raison, de 5 à 20% en masse, en particulier à raison d’environ 12% en masse.
Dans un mode de réalisation particulier l’anode est une électrode à poudre comprenant ou constituée :
de TiSnSb ;
de 5 à 30% en masse, en particulier d’environ 15% à environ 18% en masse d’additif conducteur, en particulier de noir de carbone ; et éventuellement de 5 à 20% en masse, en particulier d’environ 12% en masse de liant, en particulier de carboxyméthyl cellulose.
Selon un mode de réalisation particulier, ladite batterie Li-ion comprend en outre une cathode contenant du lithium métallique ou un oxyde de métal de transition lithié, notamment LiCoCL ou LÎMnOaCette cathode peut en outre comprendre un ou plusieurs liants.
De manière préférée, le ou les liant(s) peuvent être choisis parmi les latex de polybutadiène-styrène et les polymères organiques, et de préférence parmi les latex de polybutadiène-styrène, les polyesters, les polyéthers, les dérivés polymère de méthylméthacrylate, les dérivés polymères d'acrylonitrile, la carboxyle méthyle cellulose et ses dérivés, les polyvinyles acétates ou polyacrylate acétate, les polyfluorure de vinylidène, et leurs mélanges.
La batterie Li-ion peut également comprendre un séparateur localisé entre les électrodes. Il joue le rôle d’isolant électrique. Plusieurs matériaux peuvent être utilisés comme séparateurs. Les séparateurs sont généralement composés de polymères poreux, de préférence de polyéthylène et/ou de polypropylène. notamment de type polypropylène-polyéthylènepolypropylène (par exemple les séparateurs Celgard), ou des papiers filtres en (micro)fibres de verre (par exemple les papiers filtres GF/A de Whatman).
Avantageusement, le séparateur utilisé est un polymère polypropylène-polyéthylènepolypropylène ou un papier filtre en microfibres de verre.
La batterie Li-ion peut contenir en outre un électrolyte, en particulier non aqueux.
Selon, un mode de réalisation particulier, ledit électrolyte comprend au moins un sel de lithium, au moins un solvant, et éventuellement au moins un additif.
Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, ledit sel de lithium est LiPF6Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, ledit électrolyte comprend entre 0,5 et 2,5 mol/L du sel de lithium, en particulier LiPFg, et notamment environ. 1 mol/L dudit sel de lithium.
Selon un autre mode de réalisation particulièrement avantageux, ledit solvant comprend ou est constitué d’un ester de carbonate ou d’un mélange d’esters de carbonate.
En particulier, ledit solvant comprend ou est constitué d’un ester de carbonate ou d’un mélange d’esters de carbonate choisi dans le groupe comprenant le carbonate d’éthylène, le carbonate de propylène, le carbonate de diméthyle, le carbonate de diéthyle, l’éthyl métyl carbonate et leurs mélanges.
De manière particulièrement avantageuse, le mélange de solvants consiste en du carbonate d'éthylène, du carbonate de propylène et du carbonate de diméthyle.
De manière préférée, le mélange de solvants comprend du carbonate d'éthylène, du carbonate de propylène et du carbonate de diméthyle dans des proportions volumiques de 1/1/3.
Selon un mode de réalisation particulier, l’additif est choisi parmi le carbonate de vinylène, le carbonate de fluoroéthylène et leurs mélanges.
Selon un mode de réalisation avantageux, la batterie Li-ion comprend :
une anode contenant un alliage de type TiSnSb ;
une cathode contenant du lithium métallique ou un oxyde de métal de transition lithié, notamment LiCoOa ou LîMnOs ;
un électrolyte comprenant :
o un sel de lithium LiPFfi, o un solvant comprenant ou constitué d’un ester de carbonate ou d’un mélange d’esters de carbonate choisi notamment dans le groupe comprenant le carbonate d’éthylène, le carbonate de propylène, le carbonate de diméthyle, le carbonate de diéthyle, l’éthyl métyl carbonate et leurs mélanges, et o éventuellement un additif choisi parmi le carbonate de vinylène, le carbonate de fluoroéihylène et leurs mélanges.
Selon un mode de réalisation particulier, le nombre de cycles lors du cyclage est supérieur ou égal à environ 140, en particulier supérieur ou égal à environ 150, 155, 160, 170 ou 175.
Selon un mode de réalisation particulier, la perte de capacité lors du cyclage de ladite batterie est, en particulier entre les cycles 150 et 400, inférieure à 0,15% par cycle, en particulier inférieure à 0,14 ; 0,13 ; 0,12 ; 0,11 ; 0,10 ; 0,09 ou 0,08% par cycle, notamment à un régime de 4C.
Un régime de 4C correspond en particulier à une première lithiation en 1,5 heures. Autrement dit, dans un régime de 4C, 4 moles de lithium sont insérées par mole de TiSnSb par heure. A titre de comparaison, la perte de capacité lors du cyclage de ladite batterie à 25°C, en particulier entre les cycles 150 et 400, est d’environ 0,32% par cycle, notamment à un régime de 4C.
Les cycles de charge et de décharge se font notamment à des tensions comprises entre une tension Tsup d’environ 1,5 V, et une tension Tinf d’environ 0,02 V, les cycles s’effectuant en particulier à un régime de cyclage de 4C désignant le régime de cyclage de la batterie Liion,
Les cycles à un régime de 4C peuvent éventuellement être précédés par un. premier cycle à un régime de C/2.
En particulier, ces cycles peuvent être précédés d’un premier cycle constitué d’une décharge à 0,02 V à un régime de C/2, c’est-à-dire un régime dans lequel 0,5 mole de lithium sont insérées par mole de TiSnSb par heure (éventuellement suivie par un temps de relaxation de 48h), et d’une charge à 1,5 V à un régime de C/2.
Selon un mode de réalisation particulier, lesdits cycles réalisés à une température comprise de 40 à 80°C, en particulier d’environ 60°C. sont précédés de cycles réalisés à température ambiante, en particulier à 25°C.
Le nombre desdits cycles réalisés à température ambiante, en particulier à 25°C, est notamment de 1 à 200, en particulier de 50 à 150, plus particulièrement d’environ 120.
Les cycles réalisés à une température comprise de 40 à 80°C, permettent d’obtenir une capacité supérieure à celle qui aurait été obtenue en poursuivant les cycles à température ambiante, en particulier à 25°C.
Selon un autre mode de réalisation, l’ensemble des cycles est réalisé à une température comprise de 40 à 80°C, en particulier d’environ 60°C.
Selon un autre aspect, l’invention concerne un véhicule comprenant une batterie Li-ion comprenant au moins une cellule contenant une anode contenant un alliage de type TiSnSb, la température de la batterie lors de tous ou partie des cyclages de ladite batterie étant comprise de 40 à 80°C, ladite température étant en particulier d’environ 60°C.
Cette température peut être atteinte grâce à la chaleur dégagée par la batterie ellemême, par tout autre élément interne tel que le moteur électrique, par une source destinée à produire de la chaleur, comprise dans le véhicule, et/ou par une source de chaleur extérieure comme par exemple le soleil.
Selon un autre aspect, l’invention concerne un dispositif électronique, notamment portable, comprenant une batterie Li-ion comprenant au moins une cellule contenant une anode contenant un alliage de type TiSnSb, la température de la batterie lors de tous ou partie des cyclages de ladite batterie étant comprise de 40 à 80°C, ladite température étant en particulier d’environ 60°C.
Cette température peut être atteinte grâce à la chaleur dégagée par la batterie ellemême, par tout autre élément interne tel que les puces et les processeurs, par une source destinée à produire de la chaleur, comprise dans le dispositif électronique, et/ou par une source de chaleur extérieure comme par exemple le soleil.
Définitions
Tel qu’on l’utilise dans la présente description, le terme « environ» se réfère à un intervalle de valeurs de ± 10 % d’une valeur spécifique. A titre d’exemple, l’expression « environ 60°C » comprend les valeurs de 60°C ± 10 %, soit les valeurs de 54°C à 66°C.
Au sens de la présente description, les pourcentages se réfèrent à des pourcentages en masse de matière sèche par rapport à la masse de matière sèche totale de la composition considérée (par exemple la poudre telle que définie précédemment), sauf indication contraire.
Tel qu’on l’entend ici, les plages de valeur sous forme de « x-y » ou « de x à y » ou « entre x et y » incluent les bornes x et y ainsi que les entiers compris entre ces bornes. A titre d’exemple, « 1-5 », ou « de 1 à 5 » ou « entre 1 et 5 » désignent les entiers 1, 2, 3, 4 et 5. Les modes de réalisations préférés incluent chaque entier pris individuellement dans la plage de valeur, ainsi que toute sous-combinaison de ces entiers. A titre d’exemple, les valeurs préférées pour « 1-5 » peuvent comprendre les entiers 1, 2, 3, 4, 5, 1-2, 1-3, 1-4, 1-5, 2-3, 2-4, 2-5, etc.
Par « batterie lithium-ion », on entend toute batterie basée sur l'échange réversible de l'ion lithium entre une électrode positive (ou cathode) et une électrode négative (ou anode).
En particulier, les batteries lithium-ion sont constituées d'au moins deux électrodes faradiques conductrices de polarités différentes, l'électrode négative ou anode et l'électrode positive ou cathode, électrodes entre lesquelles se trouve un séparateur qui est constitué d'un isolant électrique imbibé d'un électrolyte aprotique à base de cations Li+ assurant la conductivité ionique. Les électrolytes utilisés dans ces batteries lithium-ion sont usuellement constitués d'un sel de lithium dissous dans un mélange de solvants non aqueux tels que Facétonitnle, le tétrahydrofurane ou le plus souvent un carbonate par exemple d'éthylène ou de propylène,
Dans ce qui précède et ce qui suit, le terme « batterie lithium-ion » englobe ou est interchangeable avec les termes «batterie secondaire au lithium-ion», «batterie au lithium», 20 «accumulateur lithium-ion» et «cellule lithium-ion», couramment utilisés dans l'art antérieur.
En général, un accumulateur lithium-ion consiste en une connexion en série de cellules lithium-ion individuelles.
Par «alliage de type TiSnSb », on entend un alliage TiSnSb de stœchiométrie 1/1/1, ou un alliage TiSnSb de stœchiométrie x/y/z, dans lequel x, y et z sont de façon indépendante 25 compris ehtre O,9 et 1,1.
Par << perte de capacité », on entend une diminution de la capacité, cette diminution étant réversible' ou irréversible.
FIGURES
La figure IA illustre la capacité en décharge d’électrodes à base de TiSnSb cyclées entre 0,02 et 1,5 V à 25°C et 60°C à un régime de 4C (= réaction de 4 lithium par heure) par rapport à une électrode de lithium métallique en configuration pile bouton. Ces cycles sont précédés d’un premier cycle constitué d’une décharge à 0,02 V à un régime de C/2, c’est-àdire un régime dans lequel 0,5 mole de lithium sont insérées par mole de TiSnSb par heure, suivie par un temps de relaxation de 48h, et d’une charge à 1,5 V à un régime de C/2.
L’électrolyte était constitué de IM LiPF6 (sel) dissout dans un mélange de carbonate d’éthylène (EC), de carbonate de propylène (PC) et de carbonate de diméthyle (DMC) avec un ratio volumique 1:1:3 auquel 1% de carbonate de vinylène (VC) et 5% de carbonate de fluoroéthylène (FEC) ont été ajoutés en volume (comme additif).
La figure IB illustre le potentiel moyen de ces électrodes à base de TiSnSb lors des décharges./charges successives à 25°C et 60°C. L’écart entre les potentiels moyens en décharge et en charge représente la polarisation de Pélectrode (“l’impédance de l’électrode’‘),
La figure 2 illustre la capacité en décharge d’électrodes à base de TiSnSb cyclées à 25°C et 60°C à un régime de 4C (= réaction de 4 lithium par heure) par rapport à une électrode de lithium métallique en configuration pile bouton. L’électrolyte était IM LiPFg EC:PC:3DMC + 1% VC + 5% FEC.
La figure 3 illustre la capacité en décharge d’électrodes à base de TiSnSb cyclées à 60°C et 4C vs. Li/Li+ pour IM LiPFé EC:PC;3DMC + 5% VC (rose) et IM LiPFô EC:PC:3DMC + 5% FEC (marron) comme électrolytes. Les courbes références pour des électrodes à base de TiSnSb cyclées à 25°C (noir) / 60°C (rouge) et 4C vs. Li/Li+ pour IM LiPFe EC:PC:3DMC + 1% VC + 5% FEC comme électrolyte sont aussi présentées pour comparaison.
EXEMPLES
Exemple 1 : cyclages d’électrodes à base de TiSnSb à 25°C et 60°C
L’électrode à base de TiSnSb (anode) a été préparée selon le mode opératoire décrit par Sougrati et al. (J. Mater. Chem. 2011, 21, 10069). de préférence sans l’étape de recuit.
La cathode était une électrode de lithium métallique en configuration pile bouton. L’électrolyte était constitué de IM LiPFe (sel) dissout dans un mélange de carbonate d’éthylène (EC), de carbonate de propylène (PC) et de carbonate de diméthyle (DMC) avec un ratio volumique 1:1:3 auquel 1% de carbonate de vinylène (VC) et 5% de carbonate de fluoroéthylène (FEC) ont été ajoutés en volume (comme additifs). L’électrolyte est ainsi noté IM LiPFf, EC:PC:3DMC + 1% VC + 5% FEC.
Les résultats sont présentés en figure 1.
La figure 2 montre que les résultats obtenus à 60°C sont tout-à-fait reproductibles (des résultats très proches ont été obtenus pour plusieurs batteries telles que décrites plus haut). On note aussi que l’efficacité coulombique était globalement supérieure à 60°C comparé à 25°C ce qui suggère que les réactions parasites sont plus faibles à cette température, résultat là encore contre-intuitif au vu de l’ensemble de ia littérature.
Exemple 2 ; Effet des additifs
Un seul des deux additifs (soit VC soit FEC) a été utilisé à une concentration de 5%. La figure 3 montre que l’utilisation de 5% FEC comme additif conduit à une tenue de la capacité en cyciage légèrement inférieure à celle de l’électrolyte contenant 5% FEC + 1% VC. Lorsque 5% VC a été utilisé comme additif, une excellente tenue de la capacité en cyciage a été observée.
Exemple 3 : analyses chromatographique de l’électrolyte après cyciage
Des analyses de l’électrolyte restant dans des batteries comprenant des électrodes à base de TiSnSb cyclées dans l’électrolyte IM LiPF6 EC:PC:3DMC + 1% VC + 5% FEC à 25°C et 60°C après une décharge à 0,02 V et après environ 400 cycles en charge à 1,5 V, après cyciage à 25°C et 60°C ont été effectuées par chromatographie. Après la première décharge, aucune différence majeure n’a été observée et les compositions d’électrolytes sont très proches de celle initiale, aux erreurs de mesure près. Aucune différence n’a également été observée après un cycle complet de décharge/charge. Cependant, après 400 cycles, des différences majeures ont été observées entre 25°C et 60°C. A 25°C, plus aucun additif n’a été détecté alors qu’ils l’étaient encore à 60°C. A 25°C, le ratio des solvants EC/PC était plus faible comparé à 60°C. Ces résultats signifient que les plus nombreuses réactions parasites observées à 25 °C comparé à 60°C (figures 1 et 2) entraînent une consommation/dégradation des additifs plus rapide à 25°C qu’à 60°C suivi de la consommation/dégradation importante d’un des solvants (ici EC). Ceci constitue un résultat là encore inverse au vu de l’ensemble de la littérature ou une température plus élevée entraîne toujours des consommations/dégradations d’additifs/solvants supérieures. Il est alors possible de conclure qu’une couche de passivation plus stable se forme à 60°C pour des électrodes à base de TiSnSb comparé à 25°C.
Rappelons que Pétai de l’art montre systématiquement une baisse très marquée des performances des batteries à base d’électrolyte liquide organique (à base d’alkyl carbonates) à 60°C. Dans le cadre de la présente invention, la SEI formée à 60°C est, dans le cas d’une électrode à base de (Ti)SnSb, à l’origine de performances très supérieures à celles classiquement enregistrées à cette température. Cette couche de SEI est notamment beaucoup moins riche, à 60°C, en L12CO3 et beaucoup plus riche en LiF, qu’à 25°. Par ailleurs les mesures de chromatographie ont montré que les réactions parasites sont plus nombreuses à 25°C qu’à 60°C entraînant une consommation/dégradation des additifs plus rapide à ainsi qu’une plus forte consommation/dégradation des solvants (notamment EC). Ce qui constitue une tendance inverse par rapport à l’ensemble de la littérature ou une température plus élevée entraîne toujours des cousommations/dégradations d’additifs/solvants supérieures. En conclusion une couche de passivation plus stable se forme à 60°C pour des électrodes à base de TiSnSb et d’électrolyte notamment IM LîPFê EC:PC:3DMC + 1% VC + 5% FEC comparé à 25°C.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS
    1. Utilisation d’une batterie Li-ion comprenant une anode contenant un alliage de type TiSnSb, à une température de 40 à 80°C, en particulier à environ 60°C, pour réduire la perte de capacité lors du cyclage de ladite batterie, dans laquelle la perte de capacité lors du cyclage
    5 à ladite température est inférieure à la perte de capacité lors d’un cyclage à 25°C.
  2. 2. Utilisation selon la revendication 1, dans laquelle ladite batterie Li-ion comprend en outre une cathode contenant du lithium métallique ou un oxyde de métal de transition lithié, notamment LiCoO? ou LiMnO2.
  3. 3. Utilisation selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle ladite 10 batterie Li-ion comprend en outre un électrolyte, en particulier non aqueux, plus particulièrement un électrolyte comprenant au moins un sel de lithium, au moins un solvant, et éventuellement au moins un additif.
  4. 4. Utilisation selon la revendication 3, dans laquelle ledit sel de lithium est LiPFé.
  5. 5. Utilisation selon la revendication 3 ou 4, dans laquelle ledit solvant comprend ou est
    15 constitué d’un ester de carbonate ou d’un mélange d’esters de carbonate, notamment choisi dans le groupe comprenant le carbonate d’éthylène, le carbonate de propylène, le carbonate de diméthyle, le carbonate de diéthyle, l’éthyl métyl carbonate et leurs mélanges.
  6. 6. Utilisation selon l’une quelconque des revendications 3 à 5, dans laquelle l’additif est choisi parmi le carbonate de vinylène, le carbonate de fluoroéthylène et leurs mélanges.
    20
  7. 7. Utilisation selon la revendication 3, dans laquelle la batterie Li-ion comprend :
    une anode contenant un alliage de type TiSnSb;
    une cathode contenant du lithium métallique ou un oxyde de métal de transition lithié, notamment LïCoO2 ou LiMnO2 ;
    un électrolyte comprenant :
    25 o un sel de lithium LîPFé, o un solvant comprenant ou constitué d’un ester de carbonate ou d’un mélange d’esters de carbonate choisi notamment dans le groupe comprenant le carbonate d’éthylène, le carbonate de propylène, le carbonate de diméthyle, le carbonate de diéthyle, l’éthyl métyl carbonate 30 et leurs mélanges, et o éventuellement un additif choisi parmi le carbonate de vinylène, le carbonate de fluoroéthylène et leurs mélanges.
  8. 8. Utilisation selon l’une quelconque des revendications précédente, dans laquelle le nombre de cycles lors du cyclage est supérieur ou égal à environ 140, en particulier supérieur ou égal à environ 150, 155, 160, 170 ou 175. notamment à un régime de4C.
  9. 9. Utilisation selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la 5 perte de capacité lors du cyclage de ladite batterie est, en particulier entre les cycles 150 et
    400, inférieure à 0,15% par cycle, en particulier inférieure à 0,14 ; 0,13 ; 0,12 ; 0,11 ; 0,10 ;
    0,09 ou 0,08% par cycle, notamment à un régime de 4C.
  10. 10. Véhicule ou dispositif électronique, notamment portable, comprenant une batterie Liion comprenant au moins une cellule contenant une anode contenant un alliage de type
    10 TiSnSb, . la température de la batterie lors de tous ou partie des cyclages de ladite batterie étant comprise de 40 à 80°C, ladite température étant en particulier d’environ 60°C.
FR1759702A 2017-10-16 2017-10-16 Utilisation d'une batterie li-ion comprenant une anode contenant un alliage a base d'etain et d'antimoine Expired - Fee Related FR3072500B1 (fr)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR1759702A FR3072500B1 (fr) 2017-10-16 2017-10-16 Utilisation d'une batterie li-ion comprenant une anode contenant un alliage a base d'etain et d'antimoine
PCT/FR2018/052575 WO2019077263A1 (fr) 2017-10-16 2018-10-16 Utilisation d'une batterie li-ion comprenant une anode contenant un alliage a base d'etain et d'antimoine

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR1759702 2017-10-16
FR1759702A FR3072500B1 (fr) 2017-10-16 2017-10-16 Utilisation d'une batterie li-ion comprenant une anode contenant un alliage a base d'etain et d'antimoine

Publications (2)

Publication Number Publication Date
FR3072500A1 true FR3072500A1 (fr) 2019-04-19
FR3072500B1 FR3072500B1 (fr) 2019-10-25

Family

ID=61802008

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
FR1759702A Expired - Fee Related FR3072500B1 (fr) 2017-10-16 2017-10-16 Utilisation d'une batterie li-ion comprenant une anode contenant un alliage a base d'etain et d'antimoine

Country Status (2)

Country Link
FR (1) FR3072500B1 (fr)
WO (1) WO2019077263A1 (fr)

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
M. T. SOUGRATI ET AL: "TiSnSb a new efficient negative electrode for Li-ion batteries: mechanism investigations by operando-XRD and M?ssbauer techniques", JOURNAL OF MATERIALS CHEMISTRY, vol. 21, no. 27, 26 April 2011 (2011-04-26), pages 10069, XP055067365, ISSN: 0959-9428, DOI: 10.1039/c1jm10710k *
WILHELM H A ET AL: "Engineering study on TiSnSb-based composite negative electrode for Li-ion batteries", JOURNAL OF POWER SOURCES, ELSEVIER SA, CH, vol. 274, 17 October 2014 (2014-10-17), pages 496 - 505, XP029104341, ISSN: 0378-7753, DOI: 10.1016/J.JPOWSOUR.2014.10.051 *
WILHELM H A ET AL: "Significant electrochemical performance improvement of TiSnSb as anode material for Li-ion batteries with composite electrode formulation and the use of VC and FEC electrolyte additives", ELECTROCHEMISTRY COMMUNICATIONS, ELSEVIER, AMSTERDAM, NL, vol. 24, 27 August 2012 (2012-08-27), pages 89 - 92, XP028515944, ISSN: 1388-2481, [retrieved on 20120901], DOI: 10.1016/J.ELECOM.2012.08.023 *
ZHANG W ET AL: "Improvement of the stability of TiSnSb anode under lithiation using SEI forming additives and room temperature ionic liquid/DMC mixed electrolyte", ELECTROCHIMICA ACTA, ELSEVIER SCIENCE PUBLISHERS, BARKING, GB, vol. 170, 20 April 2015 (2015-04-20), pages 72 - 84, XP029174149, ISSN: 0013-4686, DOI: 10.1016/J.ELECTACTA.2015.04.009 *
ZHANG W ET AL: "Surface film formation on TiSnSb electrodes: Impact of electrolyte additives", JOURNAL OF POWER SOURCES, ELSEVIER SA, CH, vol. 268, 25 June 2014 (2014-06-25), pages 645 - 657, XP029010566, ISSN: 0378-7753, DOI: 10.1016/J.JPOWSOUR.2014.06.041 *

Also Published As

Publication number Publication date
WO2019077263A1 (fr) 2019-04-25
FR3072500B1 (fr) 2019-10-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3128598B1 (fr) Utilisation d&#39;un accumulateur electrochimique au lithium a haute temperature
EP2269954B1 (fr) Materiau d&#39;electrode positive pour accumulateur lithium-ion
EP2721682B1 (fr) Electrolyte liquide pour batterie au lithium, comprenant un mélange quaternaire de solvants organiques non-aqueux
EP3973587A1 (fr) Composition d&#39;electrolyte comprenant un mélange de sels de lithium
EP3387696B1 (fr) Cellule électrochimique pour batterie au lithium comprenant un électrolyte spécifique
FR3001339A1 (fr) Batterie au lithium
FR3072500B1 (fr) Utilisation d&#39;une batterie li-ion comprenant une anode contenant un alliage a base d&#39;etain et d&#39;antimoine
EP3179550B1 (fr) Cellule électrochimique pour batterie au lithium comprenant une électrode à base d&#39;un matériau composite silicium-graphite et un électrolyte spécifique
EP3849000B1 (fr) Cellule électrochimique spécifique pour accumulateur fonctionnant selon le principe de formation d&#39;un alliage avec le matériau actif de l électrode negative comprenant un couple d électrodes spécifique
EP3647443B1 (fr) Électrode négative spécifique à base de lithium et générateur électrochimique au lithium comprenant une telle électrode négative
EP2959530B1 (fr) Cellule électrochimique pour batterie lithium-ion comprenant une électrode négative à base de silicium et un électrolyte spécifique
FR2997228A1 (fr) Electrode negative pour cellule electrochimique de stockage d&#39;energie, cellule electrochimique et batterie correspondantes et leur utilisation dans un vehicule electrique
EP2721683B1 (fr) Electrolyte liquide pour accumulateur au lithium, comprenant un mélange ternaire de solvants organiques non-aqueux
CA3081892A1 (fr) Utilisation du nitrate de lithium en tant que seul sel de lithium dans une batterie au lithium gelifiee
FR2997795A1 (fr) Batterie au lithium
CA3011742C (fr) Cathode d&#39;accumulateur, accumulateur et batterie associes
FR3143203A1 (fr) Electrode et électrolyte pour batterie lithium-ion incorporant un composé polymère
WO2016030389A1 (fr) Batterie comprenant un materiau pour électrode négative adherant au collecteur de courant anodique
EP4254543A1 (fr) Électrode négative spécifique à base de lithium et générateur électrochimique au lithium comprenant une telle électrode négative
FR3091623A1 (fr) Cellule electrochimique pour accumulateur au lithium comprenant une electrode negative specifique en lithium metallique et une electrode positive sur collecteur en aluminium

Legal Events

Date Code Title Description
PLFP Fee payment

Year of fee payment: 2

PLSC Publication of the preliminary search report

Effective date: 20190419

PLFP Fee payment

Year of fee payment: 3

ST Notification of lapse

Effective date: 20210605