FR3112029A1 - SURFACE TREATED ELECTRODE, THE ELEMENTS, MODULES AND BATTERIES INCLUDING IT - Google Patents
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Abstract
ELECTRODE TRAITEE EN SURFACE, LES ELEMENTS, MODULES ET BATTERIES LA COMPRENANT La présente invention concerne une électrode recouverte, sur tout ou partie de sa surface, d’une couche de revêtement en un matériau isolant électronique et conducteur ionique ainsi que son procédé de préparation. L’invention concerne également un élément, un module et une batterie électrochimique comprenant une électrode selon l’invention. Figure pour l'abrégé : NéantSURFACE-TREATED ELECTRODE, ELEMENTS, MODULES AND BATTERIES COMPRISING IT The invention also relates to an element, a module and an electrochemical battery comprising an electrode according to the invention. Figure for abstract: None
Description
La présente invention concerne le domaine du stockage de l’énergie, et plus précisément des accumulateurs, notamment de type lithium.The present invention relates to the field of energy storage, and more specifically accumulators, in particular of the lithium type.
Les accumulateurs rechargeables lithium-ion offrent en effet d’excellentes densités énergétique et volumique et occupent aujourd’hui une place prépondérante sur le marché de l’électronique portable, des véhicules électriques et hybrides ou encore des systèmes stationnaires de stockage de l’énergie.Rechargeable lithium-ion batteries indeed offer excellent energy and volume densities and today occupy a prominent place in the market for portable electronics, electric and hybrid vehicles and even stationary energy storage systems.
Leur fonctionnement est basé sur l’échange réversible de l’ion lithium entre une électrode positive et une électrode négative, séparées par un électrolyte.Their operation is based on the reversible exchange of the lithium ion between a positive electrode and a negative electrode, separated by an electrolyte.
L’électrode, négative ou positive, consiste généralement en un support conducteur utilisé comme collecteur de courant revêtu d'une couche contenant un matériau actif et généralement en outre un liant et un matériau conducteur électronique.The electrode, negative or positive, generally consists of a conductive support used as a current collector coated with a layer containing an active material and generally also a binder and an electronic conductive material.
Les électrolytes solides offrent de plus une amélioration notable en termes de sécurité dans la mesure où ils présentent un risque d’inflammabilité bien moindre que les électrolytes liquides.Solid electrolytes also offer a significant improvement in terms of safety as they present a much lower risk of flammability than liquid electrolytes.
En particulier, les électrolytes solides sulfures arrivent à maturité suffisante pour envisager leur utilisation industrielle. Leurs fortes valeurs de conductivité ionique associées à leur ductilité et leur masse volumique limitée en font des candidats sérieux pour les nouvelles générations de batteries tout solide pouvant permettre de concurrencer les densités d’énergies des accumulateurs Li-ion actuels à électrolytes liquides.In particular, solid sulphide electrolytes have reached sufficient maturity to consider their industrial use. Their high values of ionic conductivity associated with their ductility and their limited density make them serious candidates for new generations of all-solid-state batteries that can compete with the energy densities of current Li-ion accumulators with liquid electrolytes.
Les électrolytes solides à base de sulfures sont toutefois à l’origine de problèmes de détérioration des électrodes. Très réactifs, les électrolytes sulfures réagissent avec les matériaux constituant les électrodes, en particulier avec le matériau actif et le matériau carboné. Cette détérioration des électrodes a alors pour conséquence une diminution des performances de la cellule électrochimique au fur et à mesure de son fonctionnement.Solid sulfide electrolytes, however, cause problems with electrode deterioration. Very reactive, the sulphide electrolytes react with the materials constituting the electrodes, in particular with the active material and the carbonaceous material. This deterioration of the electrodes then has the consequence of reducing the performance of the electrochemical cell as it operates.
Il convient donc de développer des solutions pour protéger les électrodes de l’électrolyte, afin de prolonger leur durée de vie.It is therefore necessary to develop solutions to protect the electrodes from the electrolyte, in order to extend their life.
Afin de surmonter ce problème, il a été proposé de protéger le matériau actif de l’électrode par le dépôt d’une couche d’oxyde de lithium.In order to overcome this problem, it has been proposed to protect the active material of the electrode by depositing a layer of lithium oxide.
US 9,912,014 et JP 2010/07539 enseignent en ce sens de recouvrir la surface du matériau actif de l’une des électrodes, notamment de la cathode, avec une fine couche de niobate de lithium LiNbO3.US 9,912,014 and JP 2010/07539 teach in this sense to cover the surface of the active material of one of the electrodes, in particular of the cathode, with a thin layer of lithium niobate LiNbO 3 .
Toutefois, seul le matériau actif de l’électrode se trouve protégé. Les autres constituants de l’électrode, notamment le matériau conducteur électronique, sont toujours en contact direct avec l’électrolyte et continuent à se détériorer au cours du fonctionnement de la cellule électrochimiqueHowever, only the active material of the electrode is protected. The other constituents of the electrode, in particular the electronically conductive material, are always in direct contact with the electrolyte and continue to deteriorate during the operation of the electrochemical cell.
Aucun de ces documents n’enseigne de solution permettant de protéger le matériau actif et le matériau conducteur.None of these documents teaches a solution making it possible to protect the active material and the conductive material.
Il reste donc à mettre à disposition une protection efficace permettant de protéger à la fois le matériau actif et le matériau conducteur présents dans une électrode des matériaux électrolytiques à base de sulfures. Par ailleurs, il convient de trouver une solution qui n’affecte pas les performances électrochimiques de la cellule.It therefore remains to provide effective protection making it possible to protect both the active material and the conductive material present in an electrode from electrolytic materials based on sulphides. Furthermore, a solution should be found which does not affect the electrochemical performance of the cell.
Ainsi, un des buts de l’invention est de résoudre ces objectifs en proposant une électrode recouverte, sur tout ou partie de sa surface, d’une couche de revêtement en un matériau isolant électronique et conducteur ionique.Thus, one of the aims of the invention is to solve these objectives by proposing an electrode covered, over all or part of its surface, with a coating layer of an electronic insulating and ion-conductive material.
La couche de matériau isolant électronique et conducteur ionique permet de limiter et/ou de prévenir les réactions susceptibles de se produire entre les matériaux de l’électrode et l’électrolyte sulfure, tout en permettant de conserver de bonnes performances électrochimiques.The layer of electronic insulating material and ion conductor makes it possible to limit and/or prevent the reactions likely to occur between the materials of the electrode and the sulphide electrolyte, while allowing good electrochemical performance to be maintained.
La Demanderesse a par ailleurs découvert que la présence d’une couche de matériau isolant électronique et conducteur ionique permet d’élargir la fenêtre de potentiel accessible. Appliquée à la surface de l’électrode positive (cathode), la couche de matériau isolant électronique et conducteur ionique permet d’abaisser la valeur des potentiels accessibles. Appliquée à la surface de l’électrode négative (anode), la couche de matériau isolant électronique et conducteur ionique permet d’augmenter la valeur des potentiels accessibles.The Applicant has also discovered that the presence of a layer of electronic insulating material and ionic conductor makes it possible to widen the window of accessible potential. Applied to the surface of the positive electrode (cathode), the layer of electronic insulating material and ion conductor makes it possible to lower the value of the accessible potentials. Applied to the surface of the negative electrode (anode), the layer of electronic insulating material and ion conductor makes it possible to increase the value of the accessible potentials.
L’invention concerne tout d’abord une électrode utilisable dans un dispositif de stockage d’énergie comprenant au moins un matériau actif et au moins un matériau électronique carboné, ladite électrode étant recouverte, sur tout ou partie de sa surface, d’une couche de revêtement en un matériau isolant électronique et conducteur ionique, ladite électrode étant telle que A1 < 6 et A2 > 10,
avec :The invention relates first of all to an electrode which can be used in an energy storage device comprising at least one active material and at least one carbonaceous electronic material, said electrode being covered, over all or part of its surface, with a layer coating in an electronic insulating and ion-conductive material, said electrode being such that A1 < 6 and A2 > 10,
with :
où :
e représente l’épaisseur de la couche de revêtement (en m),
i représente la conductivité ionique du matériau isolant électronique et conducteur ionique (en S.m-1),
S(mat. act) représente le rapport de la surface développée par le matériau actif sur la surface totale de l’électrode (en m² de matériau actif par cm² d’électrode),
e représente la conductivité électronique du matériau isolant électronique et conducteur ionique (en S.m-1), et
S(cond.) représente le rapport de la surface en matériau actif et en matériau électronique carboné sur la surface totale de l’électrode (en m2par cm2d’électrode).Or :
e represents the thickness of the coating layer (in m),
i represents the ionic conductivity of the electronic insulating material and ionic conductor (in Sm -1 ),
S(mat. act) represents the ratio of the surface developed by the active material to the total surface of the electrode (in m² of active material per cm² of electrode),
e represents the electronic conductivity of the electronic insulating material and ionic conductor (in Sm -1 ), and
S(cond.) represents the ratio of the surface of active material and of carbonaceous electronic material to the total surface of the electrode (in m 2 per cm 2 of electrode).
De préférence, le matériau isolant électronique et conducteur ionique présente une conductivité électronique inférieure ou égale 10-10S.m-1, de préférence inférieure ou égale à 10-12S.m-1.Preferably, the electronic insulating material and ionic conductor has an electronic conductivity less than or equal to 10 -10 Sm -1 , preferably less than or equal to 10 -12 Sm -1 .
Avantageusement, le matériau isolant électronique et conducteur ionique présente une conductivité ionique supérieure ou égale à 10-8S.m-1, de préférence supérieure ou égale à 10-6S.m-1.Advantageously, the electronic insulating material and ionic conductor has an ionic conductivity greater than or equal to 10 -8 Sm -1 , preferably greater than or equal to 10 -6 Sm -1 .
Selon un mode de réalisation, le matériau isolant électronique et conducteur ionique est choisi parmi les halogénures, les oxydes, les phosphates, les sulfures, les polymères et l’un quelconque de leurs mélanges.According to one embodiment, the electronic insulating material and ionic conductor is chosen from halides, oxides, phosphates, sulphides, polymers and any one of their mixtures.
De préférence, l’épaisseur de la couche de revêtement va de 2 à 50nm, de préférence de 5 à 10nmPreferably, the thickness of the coating layer ranges from 2 to 50nm, preferably from 5 to 10nm
Avantageusement, la couche de revêtement recouvre au moins 50% de la surface de l’électrode, de préférence au moins 75%, plus préférentiellement au moins 90%, encore plus préférentiellement au moins 95%.Advantageously, the coating layer covers at least 50% of the surface of the electrode, preferably at least 75%, more preferably at least 90%, even more preferably at least 95%.
Selon un mode de réalisation préféré, l’électrode est poreuse et au moins une partie des pores de l’électrode est au moins partiellement remplie avec un matériau électrolytique solide, de préférence un matériau électrolytique solide soufré.According to a preferred embodiment, the electrode is porous and at least a part of the pores of the electrode is at least partially filled with a solid electrolytic material, preferably a solid sulfur electrolytic material.
L’invention concerne également un procédé de fabrication d’une électrode telle que définie ci-dessus, et de manière détaillée ci-dessous, ce procédé comprenant :The invention also relates to a method for manufacturing an electrode as defined above, and in detail below, this method comprising:
a) la fourniture d’une électrode,(a) the provision of an electrode,
b) le dépôt sur tout ou partie de la surface de l’électrode d’une couche de revêtement telle que définie ci-dessus, et de manière détaillée ci-dessous,b) the deposition on all or part of the surface of the electrode of a coating layer as defined above, and in detail below,
c) optionnellement, le dépôt par infiltration dans au moins une partie des pores de la couche de revêtement d’un matériau électrolytique solide, de préférence d’un matériau électrolytique solide soufré, etc) optionally, the deposition by infiltration in at least part of the pores of the coating layer of a solid electrolytic material, preferably of a solid sulfur-containing electrolytic material, and
d) optionnellement, un traitement permettant la solidification de l’électrolyte, notamment par traitement thermique ou par rayonnement ultraviolet.d) optionally, a treatment allowing the solidification of the electrolyte, in particular by heat treatment or by ultraviolet radiation.
L’invention a également pour objet un élément électrochimique comprenant un empilement entre deux collecteurs de courant conducteurs électroniques, ledit empilement comprenant :The invention also relates to an electrochemical element comprising a stack between two electronically conductive current collectors, said stack comprising:
- une électrode positive ;- a positive electrode;
- une électrode négative ;- a negative electrode;
- une couche comprenant une composition électrolytique solide séparant ladite électrode positive et ladite électrode négative, la composition électrolytique comprenant au moins un composé électrolytique solide, de préférence choisi parmi les composés électrolytiques solides soufrés et les polymères ;- a layer comprising a solid electrolytic composition separating said positive electrode and said negative electrode, the electrolytic composition comprising at least one solid electrolytic compound, preferably chosen from solid sulfur-containing electrolytic compounds and polymers;
Ledit élément étant caractérisé en ce que l’une au moins de ladite électrode positive et de ladite électrode négative est telle que définie ci-dessus, et de manière détaillée ci-dessous.Said element being characterized in that at least one of said positive electrode and of said negative electrode is as defined above, and in detail below.
De préférence, dans l’élément électrochimique selon l’invention, à la fois ladite électrode positive et ladite électrode négative sont recouvertes, sur tout ou partie de leur surface, d’une couche de revêtement, identique ou différente, telle que définie ci-dessus et de manière détaillée ci-dessous.Preferably, in the electrochemical element according to the invention, both said positive electrode and said negative electrode are covered, over all or part of their surface, with a coating layer, identical or different, as defined below. above and in detail below.
L’invention concerne en outre un procédé de fabrication d’un élément électrochimique tel que défini ci-dessus et de manière détaillée ci-dessous, ce procédé comprenant :The invention further relates to a method for manufacturing an electrochemical element as defined above and in detail below, this method comprising:
i) la fourniture d’une électrode positive et d’une électrode négative, l’une au moins de ladite électrode positive et de ladite électrode négative selon l’invention ou ayant été obtenue par la mise en œuvre d’un procédé selon l’invention, eti) supplying a positive electrode and a negative electrode, at least one of said positive electrode and said negative electrode according to the invention or having been obtained by implementing a method according to invention, and
ii) la formation, entre ladite électrode positive et ladite électrode négative, d’une couche comprenant une composition électrolytique solide.ii) the formation, between said positive electrode and said negative electrode, of a layer comprising a solid electrolytic composition.
L’invention concerne en outre un module électrochimique comprenant l’empilement d’au moins deux éléments tels que définis ci-dessus et de manière détaillée ci-dessous, chaque élément étant connecté électriquement avec un ou plusieurs autre(s) élément(s).The invention further relates to an electrochemical module comprising the stacking of at least two elements as defined above and in detail below, each element being electrically connected with one or more other element(s) .
L’invention concerne enfin une batterie comprenant un ou plusieurs module(s) tels que définis ci-dessus et de manière détaillée ci-dessous.The invention finally relates to a battery comprising one or more module(s) as defined above and in detail below.
Description détaillée de l’inventionDetailed description of the invention
L’invention concerne tout d’abord une électrode utilisable dans un dispositif de stockage d’énergie, ladite électrode étant recouverte, sur tout ou partie de sa surface, d’une couche de revêtement en un matériau isolant électronique et conducteur ionique.The invention relates first of all to an electrode that can be used in an energy storage device, said electrode being covered, over all or part of its surface, with a coating layer of an electronic insulating and ion-conductive material.
L’électrode selon l’invention peut être une électrode positive (également appelée cathode) ou une électrode négative (également appelée anode).The electrode according to the invention can be a positive electrode (also called cathode) or a negative electrode (also called anode).
Le terme électrode positive désigne l’électrode où entrent les électrons, et où arrivent les cations (Li+) en décharge.The term positive electrode designates the electrode where the electrons enter, and where the cations (Li + ) arrive in discharge.
Le terme électrode négative désigne l’électrode d’où partent les électrons, et d’où sont libérés les cations (Li+) en déchargeThe term negative electrode designates the electrode from which the electrons leave, and from which the cations (Li + ) are released in discharge
De préférence, l’électrode selon l’invention est une électrode négative.Preferably, the electrode according to the invention is a negative electrode.
Dans le cadre de la présente invention, l’électrode positive peut être de tout type connu. La cathode consiste typiquement en un support conducteur utilisé comme collecteur de courant sur lequel est déposé le matériau actif cathodique et un matériau électronique carboné. Un liant peut également être incorporé au mélange.In the context of the present invention, the positive electrode can be of any known type. The cathode typically consists of a conductive support used as a current collector on which is deposited the cathodic active material and a carbonaceous electronic material. A binder can also be incorporated into the mixture.
Le matériau actif cathodique n’est pas particulièrement limité. Il peut être choisi dans les groupes suivants ou leurs mélanges :The cathodic active material is not particularly limited. It can be chosen from the following groups or mixtures thereof:
- un composé (a) de formule LixM1-y-z-wM’yM’’zM’’’wO2(LMO2) où M, M’, M’’ et M’’’ sont choisis dans le groupe consistant en B, Mg, Al, Si, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, W et Mo à la condition qu'au moins M ou M’ ou M’’ ou M’’’ soit choisi parmi Mn, Co, Ni, ou Fe ; M, M’, M’’ et M’’’ étant différents les uns des autres; et 0,8≤x≤1,4 ; 0≤y≤0,5 ; 0≤z≤0,5 ; 0≤w≤0,2 et x+y+z+w<2,1 ;- a compound (a) of formula Li x M 1-yzw M' y M'' z M''' w O 2 (LMO 2 ) where M, M', M'' and M''' are chosen from the group consisting of B, Mg, Al, Si, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, W and Mo provided that at least M or M 'or M'' or M''' is chosen from Mn, Co, Ni, or Fe; M, M', M'' and M''' being different from each other; and 0.8≤x≤1.4; 0≤y≤0.5; 0≤z≤0.5; 0≤w≤0.2 and x+y+z+w<2.1;
- un composé (b) de formule LixMn2-y-zM'yM''zO4(LMO), où M' et M" sont choisis dans le groupe consistant en B, Mg, Al, Si, Ca, Ti, V, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb et Mo ; M' et M" étant différents l’un de l’autre, et 1≤x≤1,4 ; 0≤y≤0,6 ; 0≤z≤0,2 ;- a compound (b) of formula Li x Mn 2-yz M' y M'' z O 4 (LMO), where M' and M" are chosen from the group consisting of B, Mg, Al, Si, Ca, Ti, V, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb and Mo; M' and M" being different from each other, and 1≤x≤1.4; 0≤y≤0.6; 0≤z≤0.2;
- un composé (c) de formule LixFe1-yMyPO4(LFMP) où M est choisi dans le groupe consistant en B, Mg, Al, Si, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb et Mo; et 0,8≤x≤1,2 ; 0≤y≤0,6 ;- a compound (c) of formula Li x Fe 1-y M y PO 4 (LFMP) where M is chosen from the group consisting of B, Mg, Al, Si, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb and Mo; and 0.8≤x≤1.2; 0≤y≤0.6;
- un composé (d) de formule LixMn1-y-zM’yM’’zPO4(LMP), où M’ et M’’ sont différents l’un de l’autre et sont choisis dans le groupe consistant en B, Mg, Al, Si, Ca, Ti, V, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb et Mo, avec 0,8≤x≤1,2 ; 0≤y≤0,6 ; 0≤z≤0,2 ;- a compound (d) of formula Li x Mn 1-yz M' y M'' z PO 4 (LMP), where M' and M'' are different from each other and are chosen from the group consisting of in B, Mg, Al, Si, Ca, Ti, V, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb and Mo, with 0.8≤x≤1.2; 0≤y≤0.6; 0≤z≤0.2;
- un composé (e) de formule xLi2MnO3; (1-x)LiMO2où M est au moins un élément choisi parmi Ni, Co et Mn et x≤1.- a compound (e) of formula xLi 2 MnO 3 ; (1-x)LiMO 2 where M is at least one element chosen from Ni, Co and Mn and x≤1.
- un composé (f) de formule Li1+xMO2-yFyde structure cubique où M représente au moins un élément choisi dans le groupe constitué de Na, K, Mg, Ca, B, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Al, Y, Zr, Nb, Mo, Ru, Ag, Sn, Sb, Ta, W, Bi, La, Pr, Eu, Nd et Sm et où 0 ≤ x ≤ 0,5 et 0 ≤ y ≤ 1.- a compound (f) of formula Li 1+x MO 2-y F y of cubic structure where M represents at least one element chosen from the group consisting of Na, K, Mg, Ca, B, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Al, Y, Zr, Nb, Mo, Ru, Ag, Sn, Sb, Ta, W, Bi, La, Pr, Eu, Nd and Sm and where 0 ≤ x ≤ 0.5 and 0 ≤ y ≤ 1.
- un composé (g) de type LiVPO4F (LVPF).- a compound (g) of the LiVPO 4 F (LVPF) type.
Le collecteur de courant est de préférence un support conducteur bidimensionnel tel qu'un feuillard plein ou perforé, à base de carbone ou de métal, par exemple en nickel, en acier, en acier inoxydable ou en aluminium, de préférence aluminium. Le collecteur de courant peut être revêtu sur l’une ou sur ses deux faces d’une couche de carbone.The current collector is preferably a two-dimensional conductive support such as a solid or perforated strip, based on carbon or metal, for example nickel, steel, stainless steel or aluminum, preferably aluminum. The current collector can be coated on one or both sides with a layer of carbon.
Dans le cadre de la présente invention, l’électrode négative peut être de tout type connu. L’anode consiste typiquement en un support conducteur utilisé comme collecteur de courant sur lequel est déposé le matériau actif anodique et un matériau électronique carboné. Un liant peut également être incorporé au mélange.In the context of the present invention, the negative electrode can be of any known type. The anode typically consists of a conductive support used as a current collector on which is deposited the anode active material and a carbonaceous electronic material. A binder can also be incorporated into the mixture.
Il est entendu que dans les systèmes « anode free », une électrode négative est également présente (généralement limitée initialement au seul collecteur de courant).It is understood that in "anode free" systems, a negative electrode is also present (generally limited initially to the current collector alone).
Le matériau actif anodique n’est pas particulièrement limité. Il peut être choisi dans les groupes suivants et leurs mélanges :The anodic active material is not particularly limited. It can be chosen from the following groups and their mixtures:
- Lithium métallique ou un alliage de lithium métallique- Metallic lithium or metallic lithium alloy
- Graphite- Graphite
- Silicium- Silicon
- De type Anode-free- Anode-free type
- un oxyde de titane et de niobium TNO ayant pour formule :- a titanium and niobium oxide TNO having the formula:
LixTia-yMyNbb- zM’zO( (x+4a+5b)/2)-c- dXc Li x Ti ay M y Nb b- z M' z O ( (x+4a+5b)/2)-c- d X c
où :Or :
0 ≤ x ≤ 5 ; 0 ≤ y ≤ 1 ; 0 ≤ z ≤ 2 ; 1 ≤ a ≤ 5 ; 1 ≤ b ≤ 25 ; 0,25 ≤ a/b ≤ 2 ; 0 ≤ c ≤ 2 et 0 ≤ d ≤ 2 ; a-y > 0 ; b-z > 0 ;0 ≤ x ≤ 5; 0 ≤ y ≤ 1; 0 ≤ z ≤ 2; 1 ≤ a ≤ 5; 1 ≤ b ≤ 25; 0.25≤a/b≤2; 0 ≤ c ≤ 2 and 0 ≤ d ≤ 2; a-y > 0; b-z > 0;
M et M’représentent chacun au moins un élément choisi dans le groupe constitué de Li, Na, K, Mg, Ca, B, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Al, Y, Zr, Nb, Mo, Ru, Ag, Sn, Sb, Ta, W, Bi, La, Pr, Eu, Nd et Sm ;M and M′ each represent at least one element chosen from the group consisting of Li, Na, K, Mg, Ca, B, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Al, Y, Zr, Nb, Mo, Ru, Ag, Sn, Sb, Ta, W, Bi, La, Pr, Eu, Nd and Sm;
X représente au moins un élément choisi dans le groupe constitué de S, F, Cl et Br.X represents at least one element selected from the group consisting of S, F, Cl and Br.
L’indice d représente une lacune en oxygène. L’indice d peut être inférieur ou égal à 0,5.The subscript d represents an oxygen deficiency. The index d can be less than or equal to 0.5.
Ledit au moins un oxyde de titane et de niobium peut être choisi parmi TiNb2O7, Ti2Nb2O7,Ti2Nb2O9et Ti2Nb10O29.Said at least one titanium and niobium oxide can be chosen from TiNb 2 O 7 , Ti 2 Nb 2 O 7 , Ti 2 Nb 2 O 9 and Ti 2 Nb 10 O 29 .
- un oxyde de titane lithié ou un oxyde de titane capable d’être lithié. L’oxyde de titane lithié est choisi parmi les oxydes suivants :- a lithiated titanium oxide or a titanium oxide capable of being lithiated. The lithiated titanium oxide is chosen from the following oxides:
i) Lix-aMaTiy-bM’bO4-c-dXcdans lequel 0<x≤3 ; 1≤y≤2,5 ; 0≤a≤1 ; 0≤b≤1 ; 0≤c≤2 et -2,5≤d≤2,5 ; M représente au moins un élément choisi dans le groupe constitué de Na, K, Mg, Ca, B, Mn, Fe, Co, Cr, Ni, Al, Cu, Ag, Pr, Y et La ;i) Li xa M a Ti yb M' b O 4-cd X c in which 0<x≤3;1≤y≤2.5;0≤a≤1;0≤b≤1; 0≤c≤2 and -2.5≤d≤2.5; M represents at least one element selected from the group consisting of Na, K, Mg, Ca, B, Mn, Fe, Co, Cr, Ni, Al, Cu, Ag, Pr, Y and La;
M’ représente au moins un élément choisi dans le groupe constitué de B, Mo, Mn, Ce, Sn, Zr, Si, W, V, Ta, Sb, Nb, Ru, Ag, Fe, Co, Ni, Zn, Al, Cr, La, Pr, Bi, Sc, Eu, Sm, Gd, Ti, Ce, Y et Eu ;M' represents at least one element selected from the group consisting of B, Mo, Mn, Ce, Sn, Zr, Si, W, V, Ta, Sb, Nb, Ru, Ag, Fe, Co, Ni, Zn, Al , Cr, La, Pr, Bi, Sc, Eu, Sm, Gd, Ti, Ce, Y and Eu;
X représente au moins un élément choisi dans le groupe constitué de S, F, Cl et Br ;X represents at least one element selected from the group consisting of S, F, Cl and Br;
L’indice d représente une lacune en oxygène. L’indice d peut être inférieur ou égal à 0,5.The subscript d represents an oxygen deficiency. The index d can be less than or equal to 0.5.
ii) HxTiyO4dans lequel 0≤x≤1 ; 0≤y≤2, etii) H x Ti y O 4 in which 0≤x≤1; 0≤y≤2, and
iii) un mélange des composés i) à ii).iii) a mixture of compounds i) to ii).
Des exemples d’oxydes lithiés de titane appartenant au groupei)sont la spinelle Li4Ti5O12, Li2TiO3,la ramsdellite Li2Ti3O7, LiTi2O4, LixTi2O4, avec 0<x≤2 et Li2Na2Ti6O14.Examples of lithium oxides of titanium belonging to the groupi)are spinel Li4You5O12, Li2TiO3,there Ramsdellite Li2You3O7, LiTi2O4, LixYou2O4, with 0<x≤2 and Li2N / A2You6O14.
Un composé LTO préféré a pour formule Li4-aMaTi5-bM’bO4, par exemple Li4Ti5O12qui s’écrit encore Li4/3Ti5/3O4.A preferred LTO compound has the formula Li 4-a M a Ti 5-b M' b O 4 , for example Li 4 Ti 5 O 12 which is also written Li 4/3 Ti 5/3 O 4 .
Le liant présent à la cathode et l’anode a pour fonction de renforcer la cohésion entre les particules de matériaux actifs ainsi que d'améliorer l'adhérence du mélange selon l’invention au collecteur de courant. Le liant peut contenir un ou plusieurs des éléments suivants : polyfluorure de vinylidène (PVDF) et ses copolymères, polytétrafluoroéthylène (PTFE) et ses copolymères, polyacrylonitrile (PAN), poly(méthyl)- ou (butyl)méthacrylate, polychlorure de vinyle (PVC), poly(vinyl formal), polyester, polyétheramides séquencés, polymères d'acide acrylique, acide méthacrylique, acrylamide, acide itaconique, acide sulfonique, élastomère et les composés cellulosiques. Le ou les élastomères pouvant être utilisés comme liant peuvent être choisis parmi le styrène-butadiène (SBR), le butadiène-acrylonitrile (NBR), le butadiène-acrylonitrile hydrogéné (HNBR), et un mélange de plusieurs de ceux-ci.The binder present at the cathode and the anode has the function of reinforcing the cohesion between the particles of active materials as well as improving the adhesion of the mixture according to the invention to the current collector. The binder may contain one or more of the following elements: polyvinylidene fluoride (PVDF) and its copolymers, polytetrafluoroethylene (PTFE) and its copolymers, polyacrylonitrile (PAN), poly(methyl)- or (butyl)methacrylate, polyvinyl chloride (PVC ), poly(vinyl formal), polyester, block polyetheramides, polymers of acrylic acid, methacrylic acid, acrylamide, itaconic acid, sulfonic acid, elastomer and cellulosic compounds. The elastomer or elastomers that can be used as binder can be chosen from styrene-butadiene (SBR), butadiene-acrylonitrile (NBR), hydrogenated butadiene-acrylonitrile (HNBR), and a mixture of several of these.
Le matériau électronique carboné ou matériau conducteur est généralement choisi parmi le graphite, le noir de carbone, le noir d'acétylène, la suie, le graphène, les nanotubes de carbone ou un mélange de ceux-ci.The carbonaceous electronic material or conductive material is generally chosen from graphite, carbon black, acetylene black, soot, graphene, carbon nanotubes or a mixture thereof.
Le matériau électronique carboné est réparti dans l’ensemble des particules de matériau actif et le collecteur de courant.The carbonaceous electronic material is distributed throughout the active material particles and the current collector.
On entend par collecteur de courant un élément tel que plot, plaque, feuille ou autre, en matériau conducteur, relié à l’électrode positive ou négative, et assurant la conduction du flux d’électrons entre l’électrode et les bornes de la batterie.By current collector is meant an element such as a pad, plate, sheet or other, made of conductive material, connected to the positive or negative electrode, and ensuring the conduction of the flow of electrons between the electrode and the terminals of the battery. .
L’électrode selon l’invention est recouverte sur tout ou partie de sa surface d’une couche de revêtement en un matériau isolant électronique et conducteur ionique.The electrode according to the invention is covered over all or part of its surface with a coating layer of an electronic insulating and ion-conductive material.
La couche de revêtement recouvre, de préférence, au moins 50% de la surface de l’électrode, de préférence au moins 75%, plus préférentiellement au moins 90%, encore plus préférentiellement au moins 95%.The coating layer preferably covers at least 50% of the surface of the electrode, preferably at least 75%, more preferably at least 90%, even more preferably at least 95%.
L’épaisseur de la couche de revêtement va, de préférence, de 2 à 50 nm, plus préférentiellement de 5 à 10 nm.The thickness of the coating layer is preferably from 2 to 50 nm, more preferably from 5 to 10 nm.
Par « matériau isolant électronique », on entend au sens de l’invention un matériau incapable de transporter des électrons. Le comportement conducteur électronique d’un matériau est évalué par la mesure de sa conductivité électronique σe.By “electronic insulating material”, is meant in the sense of the invention a material incapable of transporting electrons. The electronic conductive behavior of a material is evaluated by measuring its electronic conductivity σe.
La conductivité électronique d’un matériau peut être déterminée selon toute méthode connue de l’homme du métier. Elle peut par exemple être mesurée comme suit :The electronic conductivity of a material can be determined using any method known to those skilled in the art. It can for example be measured as follows:
Une pastille du matériau dont on souhaite déterminer la valeur de la conductivité électronique est préparée en pressant de la poudre dudit matériau sous 5t/cm² puis en réalisant un frittage à une température 30% inférieure à sa température de fusion (exprimée en K) pendant 2h. Un film d’or est ensuite déposé à la surface de la pastille, afin d’améliorer le contact entre les collecteurs de courant et l’échantillon. La pastille est enfin placée entre 2 collecteurs de nickel en surface.A pellet of the material whose electronic conductivity value is to be determined is prepared by pressing the powder of said material under 5t/cm² then performing sintering at a temperature 30% lower than its melting temperature (expressed in K) for 2 hours . A gold film is then deposited on the surface of the pellet, in order to improve the contact between the current collectors and the sample. The pellet is finally placed between 2 nickel collectors on the surface.
Une tension est appliquée aux bornes des électrodes afin de mesurer l’évolution du courant circulant dans la pastille en fonction du temps. Le graphique obtenu traçant l’évolution de ce courant en fonction de la tension appliquée est une droite dont la pente correspond à la résistance électronique Re de la pastille. La conductivité électronique du matériau est enfin calculée en appliquant la formule suivante :A voltage is applied to the terminals of the electrodes in order to measure the evolution of the current flowing in the pellet as a function of time. The graph obtained plotting the evolution of this current as a function of the applied voltage is a straight line whose slope corresponds to the electronic resistance Re of the pellet. The electronic conductivity of the material is finally calculated by applying the following formula:
où σe représente la conductivité électronique du matériau (en S.m-1), e représente l’épaisseur de la pastille (en m), S la surface de la pastille (en m²) et Re la résistance électronique du matériau (en Ohm).where σe represents the electronic conductivity of the material (in Sm -1 ), e represents the thickness of the pellet (in m), S the surface of the pellet (in m²) and Re the electronic resistance of the material (in Ohm).
De préférence, le matériau isolant électronique et conducteur ionique présente une conductivité électronique inférieure ou égale à 10- 10S.m-1, de préférence inférieure ou égale à 10- 12S.m-1.Preferably, the electronic insulating material and ionic conductor has an electronic conductivity less than or equal to 10 - 10 Sm -1 , preferably less than or equal to 10 - 12 Sm -1 .
Par « matériau conducteur ionique », on entend au sens de l’invention un matériau capable de transporter des ions. Le comportement conducteur ionique d’un matériau est évalué par la mesure de sa conductivité ionique σi.By “ionic conductive material”, is meant in the sense of the invention a material capable of transporting ions. The ionic conductive behavior of a material is evaluated by measuring its ionic conductivity σi.
La conductivité ionique d’un matériau peut être déterminée selon toute méthode connue de l’homme du métier. Elle peut par exemple être mesurée comme suit :The ionic conductivity of a material can be determined using any method known to those skilled in the art. It can for example be measured as follows:
Une pastille du matériau dont on souhaite déterminer la valeur de la conductivité ionique est préparée selon le protocole décrit ci-dessus avant d’être placée entre 2 collecteurs de nickel en surface.A pellet of the material whose ionic conductivity value is to be determined is prepared according to the protocol described above before being placed between 2 surface nickel collectors.
Une mesure d’impédance est ensuite réalisée sur la pastille sur laquelle une tension sinusoïdale d’amplitude de 10mV à différentes fréquences (entre 1MHz et 0.01Hz) est appliquée. Sur le diagramme de Nyquist, le signal des électrodes bloquantes est visible aux plus basses fréquences. L’intersection entre l’extrapolation du signal des électrodes bloquantes et l’axe des valeurs réelles de l’impédance RTcorrespond à la somme de la résistance ionique Ri et de la résistance électronique Re de la pastille.An impedance measurement is then performed on the pad to which a sinusoidal voltage with an amplitude of 10mV at different frequencies (between 1MHz and 0.01Hz) is applied. On the Nyquist diagram, the signal from the blocking electrodes is visible at the lowest frequencies. The intersection between the extrapolation of the signal from the blocking electrodes and the axis of the real values of the impedance R T corresponds to the sum of the ionic resistance Ri and the electronic resistance Re of the pellet.
La résistance ionique Riest calculée à partir de la relation Ri = RT– Re et la conductivité ionique i est calculée en appliquant la formule suivante :The ionic resistance R i is calculated from the relationship Ri = R T – Re and the ionic conductivity i is calculated by applying the following formula:
où σi représente la conductivité ionique du matériau (en S.m-1), e représente l’épaisseur de la pastille (en m), S la surface de la pastille (en m²) et Ri la résistance ionique du matériau (en Ohm).where σi represents the ionic conductivity of the material (in Sm -1 ), e represents the thickness of the pellet (in m), S the surface of the pellet (in m²) and Ri the ionic resistance of the material (in Ohm).
De préférence, le matériau isolant électronique et conducteur ionique présente une conductivité ionique supérieure ou égale à 10-8S.m-1, de préférence supérieure ou égale à 10-6S.m-1.Preferably, the electronic insulating material and ionic conductor has an ionic conductivity greater than or equal to 10 -8 Sm -1 , preferably greater than or equal to 10 -6 Sm -1 .
Le matériau isolant électronique et conducteur ionique peut être choisi parmi les azotures, les halogénures, les oxydes, les phosphates, les sulfures, les polymères et l’un quelconque de leurs mélanges.The electronic insulating and ion-conductive material can be chosen from azides, halides, oxides, phosphates, sulphides, polymers and any of their mixtures.
Lorsque le matériau isolant électronique et conducteur ionique est choisi parmi les azotures, il est, de préférence, l’azoture de lithium Li3N.When the electronic insulating and ion-conductive material is chosen from azides, it is preferably lithium azide Li 3 N.
Lorsque le matériau isolant électronique et conducteur ionique est choisi parmi les halogénures, il est, de préférence, choisi parmi les matériaux de formule :When the electronic insulating and ion-conductive material is chosen from halides, it is preferably chosen from materials of formula:
- LiX, avec X = F, Cl, Br ou I,- LiX, with X = F, Cl, Br or I,
- Li3MX6, avec M = Y, In, Sc ou un lanthanide, et X est un halogène, notamment choisi parmi Cl, Br et I,- Li 3 MX 6 , with M = Y, In, Sc or a lanthanide, and X is a halogen, in particular chosen from Cl, Br and I,
- Li6MX8, avec M = V, Fe, C ou Ni, et X est un halogène, notamment choisi parmi Cl, Br et I, et- Li 6 MX 8 , with M = V, Fe, C or Ni, and X is a halogen, in particular chosen from Cl, Br and I, and
- Li2-2zM1+zX4, avec M = Zn, V, Ti, Mn, Mg, Cd, Fe ou Cr, 0≤ z≤1 et X est un halogène, notamment choisi parmi Cl, Br et I.- Li 2-2z M 1+z X 4 , with M = Zn, V, Ti, Mn, Mg, Cd, Fe or Cr, 0≤ z≤1 and X is a halogen, in particular chosen from Cl, Br and I .
Lorsque le matériau isolant électronique et conducteur ionique est choisi parmi les oxydes, il est, de préférence, choisi parmi les oxydes métalliques.When the electronic insulating and ion-conductive material is chosen from oxides, it is preferably chosen from metal oxides.
Parmi les oxydes métalliques adaptés à la mise en œuvre de l’invention, on peut notamment citer :Among the metal oxides suitable for the implementation of the invention, mention may be made in particular of:
- le zirconate de lithium Li2ZrO3,- lithium zirconate Li 2 ZrO 3 ,
- le niobate de lithium LiNbO3,- lithium niobate LiNbO 3 ,
- le titanate de lithium Li4Ti5O12,- lithium titanate Li 4 Ti 5 O 12 ,
- les conducteurs superioniques à base de sodium (NASICON pour «Na Super Ionic Conductor» en anglais) de formule Na1+xZr2SixP3-xO12avec 0<x<3,- sodium-based superionic conductors (NASICON for “ Na Super Ionic Conductor ” in English) of formula Na 1+x Zr 2 Si x P 3-x O 12 with 0<x<3,
- les conducteurs superioniques à base de lithium (LISICON pour «Li Super Ionic Conductor» en anglais) de formule Li2+2xZn1-xSixGeO4avec 0<x<1,- lithium-based superionic conductors (LISICON for “ Li Super Ionic Conductor ” in English) of formula Li 2+2x Zn 1-x Si x GeO 4 with 0<x<1,
- les perovskites, notamment de formule Li0,33La0,557TiO3 (LLTO),- perovskites, in particular of formula Li0.33There0.557TiO3 (LLTO),
- les composés de type LIPON (Li3,2PO3,8N0,2), et- LIPON-type compounds (Li 3.2 PO 3.8 N 0.2 ), and
- les anti-perovskites de type Li3OCl. - Li 3 OCl type anti-perovskites .
Lorsque le matériau isolant électronique et conducteur ionique est choisi parmi les phosphates, il est, de préférence, choisi parmi les phosphates métalliques, plus préférentiellement parmi les phosphates métalliques lithiés, encore plus préférentiellement parmi les thio-phosphates lithiés comme par exemple Li10GeP2S12et ses dérivés obtenus par dopage et/ou substitution d'un ou de plusieurs atomes de lithium Li, ou de germanium Ge par un ou plusieurs éléments métalliques, notamment d’étain Sn.When the electronic insulating and ion-conductive material is chosen from phosphates, it is preferably chosen from metal phosphates, more preferably from lithiated metal phosphates, even more preferably from lithiated thio-phosphates such as, for example, Li 10 GeP 2 S 12 and its derivatives obtained by doping and/or substitution of one or more atoms of lithium Li, or of germanium Ge by one or more metallic elements, in particular tin Sn.
Les composés sulfures présents dans la couche de revêtement diffèrent des composés sulfures présents dans la composition électrolytique. En particulier, les composés sulfures formant la couche de revêtement présentent une conductivité électronique plus élevée que les composés sulfures présents dans l’électrolyte.The sulfide compounds present in the coating layer differ from the sulfide compounds present in the electrolytic composition. In particular, the sulphide compounds forming the coating layer exhibit a higher electronic conductivity than the sulphide compounds present in the electrolyte.
Lorsque le matériau isolant électronique et conducteur ionique est choisi parmi les sulfures, il est, de préférence, choisi parmi les sulfures présentant une conductivité électronique inférieure ou égale à 10-1 0S.m-1.When the electronic insulating material and ionic conductor is chosen from sulphides, it is preferably chosen from sulphides having an electronic conductivity less than or equal to 10 -1 0 Sm -1 .
De tels composés sulfures sont notamment choisis parmi les matériaux de formule [(Li2S)y(P2S5)1-y](1-z)(LiX)z Such sulfide compounds are chosen in particular from materials of formula [(Li 2 S) y (P 2 S 5 ) 1-y ] (1-z) (LiX) z
où :Or :
X est un halogène, notamment choisi parmi Cl, Br et I, ou un atome d’oxygène,X is a halogen, chosen in particular from Cl, Br and I, or an oxygen atom,
0<y<10<y<1
0≤ z≤10≤z≤1
Lorsque le matériau isolant électronique et conducteur ionique est choisi parmi les polymères, il est, de préférence, choisi parmi les homopolymères et les copolymères de poly(oxyéthylene) (POE) ou polyéthylènes glycol ; poly(propylène) (PP) ; poly(propylène) carbonate (PPC) ; polymères de type (méth)acrylate d’alkyle, notamment de poly(méth)acrylates de méthyle (PMA et PMMA) ; poly(méth)acrylonitrile (PAN) ; poly(dimethylsiloxane) (PDMS) ; cellulose et de leurs dérivés, notamment d’acétates de cellulose ; poly(fluorure de vinylidène) (PVdF) ; polyvinylpyrrolidone (PVP) ; polystyrènes sulfonate (PSS) ; poly(chlorure de vinyle) (PVC) ; polyéthylènes, notamment depoly(téréphtalate d’éthylène) (PET) ; polyimides et leurs mélanges.When the electronic insulating and ion-conductive material is chosen from polymers, it is preferably chosen from homopolymers and copolymers of poly(oxyethylene) (POE) or polyethylene glycol; poly(propylene) (PP); poly(propylene) carbonate (PPC); polymers of the alkyl (meth)acrylate type, in particular methyl poly(meth)acrylates (PMA and PMMA); poly(meth)acrylonitrile (PAN); poly(dimethylsiloxane) (PDMS); cellulose and their derivatives, in particular cellulose acetates; poly(vinylidene fluoride) (PVdF); polyvinylpyrrolidone (PVP); polystyrene sulfonate (PSS); poly(vinyl chloride) (PVC); polyethylenes, in particular poly(ethylene terephthalate) (PET); polyimides and mixtures thereof.
Parmi les copolymères utilisables, on peut notamment citer les copolymères de type poly(oxyéthylène)-polystyrène sulfonate.Among the copolymers which can be used, mention may in particular be made of copolymers of the poly(oxyethylene)-polystyrene sulfonate type.
Ces différents polymères peuvent comprendre des sels de lithium tels que LiTFSI, LiFSI, LiPF6, LiClO4. En outre, ces polymères peuvent contenir des traces ou des quantités significatives de solvant organiques, et notamment de carbonate d’éthylène (EC), de carbonate de diéthyle (DEC), de diméthoxyéthane (DME), dioxolane (DOL)…These various polymers can comprise lithium salts such as LiTFSI, LiFSI, LiPF 6 , LiClO 4 . In addition, these polymers may contain traces or significant amounts of organic solvents, and in particular ethylene carbonate (EC), diethyl carbonate (DEC), dimethoxyethane (DME), dioxolane (DOL)…
Il peut également s’agir de polymère de liquide ionique.It can also be ionic liquid polymer.
De manière préférée, le matériau isolant électronique et conducteur ionique est choisi parmi les oxydes métalliques ; les phosphates métalliques, de préférence parmi les phosphates métalliques lithiés ; et l’un quelconque de leurs mélanges.Preferably, the electronic insulating and ion-conductive material is chosen from metal oxides; metal phosphates, preferably from lithiated metal phosphates; and any mixture thereof.
Avantageusement, le matériau isolant électronique et conducteur ionique est choisi parmi le niobate de lithium LiNbO3, les phosphates de lithium substitués, les composés de type LIPON (Li3,2PO3,8N0,2) et l’un quelconque de leurs mélanges.Advantageously, the electronic insulating material and ionic conductor is chosen from lithium niobate LiNbO 3 , substituted lithium phosphates, compounds of the LIPON type (Li 3.2 PO 3.8 N 0.2 ) and any one of their mixtures.
Plus avantageusement, le matériau isolant électronique et conducteur ionique est choisi parmi le niobate de lithium LiNbO3, les composés de type LIPON (Li3,2PO3,8N0,2) et l’un quelconque de leurs mélanges.More advantageously, the electronic insulating material and ionic conductor is chosen from lithium niobate LiNbO 3 , compounds of the LIPON type (Li 3.2 PO 3.8 N 0.2 ) and any one of their mixtures.
Avantageusement, l’électrode selon l’invention est telle que A1 < 6, le paramètre A1 étant calculé comme suit :
où :
e représente l’épaisseur de la couche de revêtement (en m),
i représente la conductivité ionique du matériau isolant électronique et conducteur ionique (en S.m-1),
S(mat. act) représente le rapport de la surface développée par le matériau actif sur la surface totale de l’électrode (en m² de matériau actif par cm² d’électrode).Or :
e represents the thickness of the coating layer (in m),
i represents the ionic conductivity of the electronic insulating material and ionic conductor (in Sm -1 ),
S(mat. act) represents the ratio of the surface developed by the active material to the total surface of the electrode (in m² of active material per cm² of electrode).
Plus avantageusement, l’électrode est telle que A1 ≤ 4, de préférence A1 ≤ 1,5, plus préférentiellement A1 ≤ 0.More advantageously, the electrode is such that A1≤4, preferably A1≤1.5, more preferably A1≤0.
Avantageusement, l’électrode selon l’invention est telle que A2 > 10, le paramètre A2 étant calculé comme suit :
où :
e représente l’épaisseur de la couche de revêtement (en m),
e représente la conductivité électronique du matériau isolant électronique et conducteur ionique (en S.m-1), et
S(cond.) représente le rapport de la surface en matériau actif et en matériau électronique carboné sur la surface totale de l’électrode (en m2par cm2d’électrode).Or :
e represents the thickness of the coating layer (in m),
e represents the electronic conductivity of the electronic insulating material and ionic conductor (in Sm -1 ), and
S(cond.) represents the ratio of the surface of active material and of carbonaceous electronic material to the total surface of the electrode (in m 2 per cm 2 of electrode).
Plus avantageusement, l’électrode est telle que A2 ≥ 12, de préférence A2 ≥ 13,0.More preferably, the electrode is such that A2 ≥ 12, preferably A2 ≥ 13.0.
La surface de l’électrode est poreuse.The surface of the electrode is porous.
De préférence, l’électrode présente une porosité supérieure ou égale 30 %, plus préférentiellement supérieure ou égale à 40 %, avantageusement allant de 40 à 60 %Preferably, the electrode has a porosity greater than or equal to 30%, more preferably greater than or equal to 40%, advantageously ranging from 40 to 60%
Selon un mode de réalisation, au moins une partie des pores de l’électrode sont au moins partiellement remplis d’un matériau électrolytique solide, de préférence choisi parmi les matériaux électrolytiques solides conducteurs de lithium.According to one embodiment, at least some of the pores of the electrode are at least partially filled with a solid electrolytic material, preferably chosen from solid electrolytic materials that conduct lithium.
L’électrolyte solide peut être de tout type connu. Il est notamment choisi parmi les électrolytes soufrés, les électrolytes de type oxyde, les électrolytes polymères, les électrolytes hybrides polymère/céramique et l’un quelconque de leurs mélanges.The solid electrolyte can be of any known type. It is chosen in particular from sulfur electrolytes, electrolytes of the oxide type, polymer electrolytes, hybrid polymer/ceramic electrolytes and any one of their mixtures.
De préférence, l’électrolyte solide est choisi parmi les électrolytes soufrés et les polymères.Preferably, the solid electrolyte is chosen from sulfur electrolytes and polymers.
Plus préférentiellement, l’électrolyte solide est choisi parmi les électrolytes soufrés, c’est-à-dire comprenant du soufre, plus préférentiellement parmi les électrolytes sulfures, seuls ou en mélange avec d’autres constituants, tels que des polymères ou gels. On peut ainsi citer les sulfures partiellement ou complètement cristallisés ainsi que les amorphes. Des exemples de ces matériaux peuvent être sélectionnés parmi les sulfures de composition A Li2S – B P2S5(avec 0<A<1,0<B<1 et A+B = 1) et leurs dérivés (par exemple avec dopage LiI, LiBr, LiCl, …) ; les sulfures de structure argyrodite ; ou type LGPS (Li10GeP2S12), et ses dérivés. Les sulfures formant la couche électrolytique se différencient des composés sulfures formant la couche de revêtement en ce qu’ils présentent une conductivité ionique supérieure à 10-2S. .m-1et électronique comprise entre 10-8et 10- 10 S.m-1. Les matériaux électrolytiques pourront également comprendre des oxysulfures, des oxydes (grenat, phosphate, anti-perovskite, …), des hydrures, des polymères, des gels ou des liquides ioniques conducteurs des ions lithium.More preferentially, the solid electrolyte is chosen from sulfur electrolytes, that is to say comprising sulfur, more preferentially from sulphide electrolytes, alone or mixed with other constituents, such as polymers or gels. Mention may thus be made of partially or completely crystallized sulphides as well as amorphous ones. Examples of these materials can be selected from sulphides of composition A Li2S–B P2S5(with 0<A<1.0<B<1 and A+B=1) and their derivatives (for example with LiI, LiBr, LiCl doping, etc.); sulphides of argyrodite structure; or type LGPS (Li10GEP2S12), and its derivatives. The sulphides forming the electrolytic layer differ from the sulphide compounds forming the coating layer in that they have an ionic conductivity greater than 10-2S. .m-1and electronics between 10-8and 10- 10 S.m-1. The electrolytic materials may also include oxysulphides, oxides (garnet, phosphate, anti-perovskite, etc.), hydrides, polymers, gels or ionic liquids that conduct lithium ions.
Des exemples de compositions électrolytiques sulfures sont décrits notamment dans Park, K. H., Bai, Q., Kim, D. H., Oh, D. Y., Zhu, Y., Mo, Y., & Jung, Y. S. (2018). Design Strategies, Practical Considerations, and New Solution Processes of Sulfide Solid Electrolytes for AllSolidState Batteries.Advanced Energy Materials, 1800035.Examples of sulfide electrolytic compositions are described in particular in Park, KH, Bai, Q., Kim, DH, Oh, DY, Zhu, Y., Mo, Y., & Jung, YS (2018). Design Strategies, Practical Considerations, and New Solution Processes of Sulfide Solid Electrolytes for AllSolidState Batteries. Advanced Energy Materials , 1800035.
Typiquement, au moins 50% en volume des pores de l’électrode sont remplis d’un matériau électrolytique solide, de préférence au moins 70% en volume, plus préférentiellement au moins 80% en volume.Typically, at least 50% by volume of the pores of the electrode are filled with a solid electrolyte material, preferably at least 70% by volume, more preferably at least 80% by volume.
Avantageusement, la couche de revêtement et la composition électrolytique sont en des matériaux distincts.Advantageously, the coating layer and the electrolytic composition are made of separate materials.
L’invention a également pour objet un procédé de fabrication d’une électrode telle que définie ci-dessus, ce procédé comprenant :The invention also relates to a method for manufacturing an electrode as defined above, this method comprising:
a) la fourniture d’une électrode, positive ou négative,a) the provision of an electrode, positive or negative,
b) le dépôt sur tout ou partie de la surface de ladite électrode d’une couche de revêtement en un matériau isolant électronique et conducteur ionique tel que défini ci-dessus,b) the deposition on all or part of the surface of said electrode of a coating layer of an electronic insulating and ion-conductive material as defined above,
c) optionnellement, le dépôt par infiltration dans au moins une partie des pores de l’électrode d’un matériau électrolytique solide tel que défini ci-dessus, etc) optionally, the deposition by infiltration in at least part of the pores of the electrode of a solid electrolytic material as defined above, and
d) optionnellement, un traitement permettant la solidification de l’électrolyte, de préférence par traitement thermique ou par rayonnement ultraviolet.d) optionally, a treatment allowing the solidification of the electrolyte, preferably by heat treatment or by ultraviolet radiation.
Le dépôt de la couche de revêtement à la surface de l’électrode peut être réalisé selon toute méthode connue de l’homme du métier.The deposition of the coating layer on the surface of the electrode can be carried out according to any method known to those skilled in the art.
De préférence, le dépôt de la couche de revêtement est réalisé par dépôt de couche atomique (ALD en anglais pour «Atomic Layer Deposition»), par dépôt de couche moléculaire (MLD en anglais pour «Molecular Layer Deposition»), par dépôt chimique en phase vapeur (CVD en anglais pour « Chemical Vapor Deposition »), par dépôt physique en phase vapeur (PVD en anglais pour « Physical Vapor Deposition »), par trempage (en anglais «dip coating») ou encore par imprégnation.Preferably, the coating layer is deposited by atomic layer deposition (ALD in English for “ Atomic Layer Deposition ”), by molecular layer deposition (MLD in English for “ Molecular Layer Deposition ”), by chemical deposition in chemical vapor deposition (CVD), physical vapor deposition (PVD), dip coating or impregnation.
Avantageusement, la couche de revêtement est formée à partir d’une composition précurseur comprenant au moins un composé précurseur du matériau isolant électronique et conducteur ionique et au moins un solvant.Advantageously, the coating layer is formed from a precursor composition comprising at least one precursor compound of the electronic insulating and ion-conductive material and at least one solvent.
De préférence, le composé précurseur du matériau isolant électronique et conducteur ionique est choisi parmi un composé source ou cible du matériau isolant électronique et conducteur ionique visé ou d’une composition proche permettant, sous atmosphère réactive, d’obtenir le profil de composition désiré par PVD ou PLD (dépôt de LiPON à partir d’une cible de Li3PO4sous atmosphère partielle d’azote) ou, des précurseurs permettant l’obtention des compositions ciblées par ALD ou MLD.Preferably, the precursor compound of the electronic insulating and ion-conductive material is chosen from a source or target compound of the electronic insulating and ion-conductive material targeted or of a similar composition making it possible, under a reactive atmosphere, to obtain the composition profile desired by PVD or PLD (deposition of LiPON from a Li 3 PO 4 target under a partial nitrogen atmosphere) or, precursors making it possible to obtain the compositions targeted by ALD or MLD.
Comme composés précurseurs pouvant être utilisé dans un procédé de type ALD, on peut notamment citer à titre d’exemple : le tert-butylate de lithium LiOtBu, le lithium hexamethyldisilazide LiN(SiMe3)2, l’éthanolate de niobium Nb(OEt)5, le diethyl phosphoramidate H2NP(O)(OC2H5)2, le trimethylphosphate.As precursor compounds that can be used in an ALD-type process, mention may be made in particular by way of example of: lithium tert-butoxide LiO t Bu, lithium hexamethyldisilazide LiN(SiMe 3 ) 2 , niobium ethanolate Nb( OEt) 5 , diethyl phosphoramidate H 2 NP(O)(OC 2 H 5 ) 2 , trimethylphosphate.
Selon le protocole de dépôt, ces composés précurseurs peuvent être utilisés avec de l’eau déionisée, ainsi qu’avec différents gaz porteurs (argon, par exemple) ou atmosphères réactives (pression partielle d’azote, d’oxygène ou d’ozone, par exemple).Depending on the deposition protocol, these precursor compounds can be used with deionized water, as well as with different carrier gases (argon, for example) or reactive atmospheres (partial pressure of nitrogen, oxygen or ozone, For example).
De préférence, le solvant est inerte vis-à-vis des composés présents dans la composition précurseur, notamment vis-à-vis du composé précurseur du matériau isolant électronique et conducteur ionique.Preferably, the solvent is inert with respect to the compounds present in the precursor composition, in particular with respect to the precursor compound of the electronic insulating and ion-conductive material.
Par « solvant inerte », on entend au sens de l’invention un composé chimique capable de dissoudre ou diluer une espèce chimique sans réagir avec elle.By "inert solvent" is meant within the meaning of the invention a chemical compound capable of dissolving or diluting a chemical species without reacting with it.
Selon un mode de réalisation, le procédé selon l’invention comprend en outre, après l’étape 2), une étape supplémentaire de dépôt dans au moins une partie des pores de l’électrode d’un matériau électrolytique solide tel que défini ci-dessus.According to one embodiment, the method according to the invention further comprises, after step 2), an additional step of depositing in at least part of the pores of the electrode a solid electrolytic material as defined below. above.
Avantageusement, le matériau électrolytique solide est introduit dans les pores de l’électrode par l’infiltration du matériau électrolytique sous forme liquide.Advantageously, the solid electrolytic material is introduced into the pores of the electrode by the infiltration of the electrolytic material in liquid form.
Lorsque le matériau électrolytique comprend un polymère, l’étape d’infiltration peut être réalisée avant la polymérisation du matériau, par infiltration d’une composition comprenant les monomères précurseurs du polymère suivi d’une étape de polymérisation à l’intérieur des pores, ou bien après la polymérisation mais avant la réticulation du polymère. L’étape d’infiltration peut également être réalisée à partir de l’électrolyte polymère à l’état fondu.When the electrolytic material comprises a polymer, the infiltration step can be carried out before the polymerization of the material, by infiltration of a composition comprising the precursor monomers of the polymer followed by a polymerization step inside the pores, or well after the polymerization but before the crosslinking of the polymer. The infiltration step can also be carried out from the polymer electrolyte in the molten state.
Les matériaux électrolytiques de type sulfures peuvent être introduits dans les pores de l’électrode directement sous forme fondue ou bien sous la forme d’une composition précurseur préparée par dissolution dans un solvant du composé de type sulfure.The sulfide-type electrolytic materials can be introduced into the pores of the electrode directly in molten form or else in the form of a precursor composition prepared by dissolving the sulfide-type compound in a solvent.
De préférence, lorsque le matériau électrolytique est choisi parmi les sulfures, son infiltration dans les pores de l’électrode est réalisée par la succession des étapes suivantes :Preferably, when the electrolytic material is chosen from sulphides, its infiltration into the pores of the electrode is carried out by the succession of the following steps:
A) la préparation d’une composition précurseur par dissolution du matériau électrolytique solide dans un solvant,A) the preparation of a precursor composition by dissolving the solid electrolytic material in a solvent,
B) l’imprégnation des pores de l’électrode avec la composition précurseur préparée en A),B) the impregnation of the pores of the electrode with the precursor composition prepared in A),
C) l’évaporation du solvant, etC) evaporation of the solvent, and
D) la densification du matériau.D) the densification of the material.
De préférence, le solvant utilisé pour la préparation de la composition précurseur est choisi parmi les solvants organiques, plus préférentiellement parmi l’éthanol, le méthanol, le tétrahydrofurane (THF), l’hydrazine, l’eau, l’acétonitrile, l’acétate d’éthyle, le 1,2-diméthoxyéthane et leurs mélanges.Preferably, the solvent used for the preparation of the precursor composition is chosen from organic solvents, more preferably from ethanol, methanol, tetrahydrofuran (THF), hydrazine, water, acetonitrile, ethyl acetate, 1,2-dimethoxyethane and mixtures thereof.
L’imprégnation des pores de l’électrode peut être réalisée selon toute méthode connue. Elle peut notamment être réalisée par trempage de l’électrode dans la composition précurseur («dip-coating» en anglais).The impregnation of the pores of the electrode can be carried out according to any known method. It can in particular be produced by dipping the electrode in the precursor composition (“ dip-coating ” in English).
L’évaporation du solvant est typiquement réalisée sous pression réduite et sous chauffage. Les techniques d’évaporation de solvant sous pression réduite sont bien connues de l’homme du métier qui saura, en fonction du solvant présent dans la composition précurseur, sélectionner une gamme de pression et une gamme de température adaptées.The evaporation of the solvent is typically carried out under reduced pressure and under heating. Solvent evaporation techniques under reduced pressure are well known to those skilled in the art who will be able, depending on the solvent present in the precursor composition, to select a suitable pressure range and temperature range.
La densification du matériau est réalisée par pressage, à chaud ou à froid, de préférence à froid. De préférence, la pression appliquée est comprise entre 20 et 1000 MPa, plus préférentiellement entre 300 et 800 MPa.The densification of the material is carried out by pressing, hot or cold, preferably cold. Preferably, the pressure applied is between 20 and 1000 MPa, more preferably between 300 and 800 MPa.
Des exemples de techniques d’imprégnation d’électrodes sont notamment décrites dans Dong Hyeon Kim et al.,Nano Lett., 2017, 17, 5, 3013-3020 ; S. Yubuchi et al.,J. Matter . Chem . A, 2019, 7, 558-566 et S. Yubuchi et al.,Journal of Power Sources, 2019, 417, 125-131.Examples of electrode impregnation techniques are in particular described in Dong Hyeon Kim et al., Nano Lett ., 2017, 17, 5, 3013-3020; S. Yubuchi et al., J. Matter . Chem . A , 2019, 7, 558-566 and S. Yubuchi et al., Journal of Power Sources , 2019, 417, 125-131.
L’invention concerne également un élément électrochimique comprenant un empilement entre deux collecteurs de courant conducteurs électroniques, ledit empilement comprenant :The invention also relates to an electrochemical element comprising a stack between two electronically conductive current collectors, said stack comprising:
- une électrode positive,- a positive electrode,
- une électrode négative, et- a negative electrode, and
- une couche comprenant une composition électrolytique solide, de préférence choisie parmi les électrolytes solides à base de sulfures, séparant ladite électrode positive et ladite électrode négative,- a layer comprising a solid electrolytic composition, preferably chosen from solid sulphide-based electrolytes, separating said positive electrode and said negative electrode,
l'une au moins de ladite électrode positive et de ladite électrode négative étant telle que définie ci-dessus.at least one of said positive electrode and said negative electrode being as defined above.
On entend par « élément électrochimique » une cellule électrochimique élémentaire constituée de l’assemblage électrode positive/électrolyte/électrode négative, permettant d’emmagasiner l’énergie électrique fournie par une réaction chimique et de la restituer sous forme de courant.“Electrochemical element” means an elementary electrochemical cell made up of the positive electrode/electrolyte/negative electrode assembly, allowing the electrical energy supplied by a chemical reaction to be stored and returned in the form of current.
Selon un premier mode de réalisation, l’élément électrochimique selon l’invention comprend une électrode telle que définie ci-dessus et une électrode ne présentant pas de couche de revêtement telle que définie ci-dessus.According to a first embodiment, the electrochemical element according to the invention comprises an electrode as defined above and an electrode not having a coating layer as defined above.
De préférence, selon ce premier mode de réalisation, l’électrode selon l’invention est l’électrode négative.Preferably, according to this first embodiment, the electrode according to the invention is the negative electrode.
Selon un second mode de réalisation, les deux électrodes (l’électrode négative et l’électrode positive) sont telles que définis ci-dessus.According to a second embodiment, the two electrodes (the negative electrode and the positive electrode) are as defined above.
Les éléments électrochimiques selon l’invention appelés ici « macrobatteries » présentent typiquement une charge électrique supérieure à 100 mAh. Elles se distinguent des micro-batteries et présentent typiquement une capacité supérieure à 0.1 Ah.The electrochemical elements according to the invention called here "macrobatteries" typically have an electrical charge greater than 100 mAh. They differ from micro-batteries and typically have a capacity greater than 0.1 Ah.
L’élément électrochimique selon l’invention convient particulièrement aux accumulateurs lithium, tel que les accumulateurs Li-ion, Li primaire (non rechargeable) et Li-SThe electrochemical element according to the invention is particularly suitable for lithium accumulators, such as Li-ion, primary Li (non-rechargeable) and Li-S accumulators.
L’invention a également pour objet un procédé de fabrication d’un élément électrochimique tel que défini ci-dessus.The invention also relates to a method for manufacturing an electrochemical element as defined above.
De préférence, le procédé de fabrication de l’élément électrochimique comprend les étapes suivantes :Preferably, the process for manufacturing the electrochemical element comprises the following steps:
i) la fourniture d’une électrode positive et d’une électrode négative, l’une au moins de ladite électrode positive et de ladite électrode négative étant telle que définie ci-dessus, eti) the provision of a positive electrode and a negative electrode, at least one of said positive electrode and said negative electrode being as defined above, and
ii) la formation, entre ladite électrode positive et ladite électrode négative, d’une couche comprenant une composition électrolytique solide.ii) the formation, between said positive electrode and said negative electrode, of a layer comprising a solid electrolytic composition.
Selon un autre objet, l’invention concerne également un module électrochimique comprenant l’empilement d’au moins deux éléments selon l’invention, chaque élément étant connecté électriquement avec un ou plusieurs autre(s) élément(s), notamment via leurs collecteurs de courant.According to another object, the invention also relates to an electrochemical module comprising the stack of at least two elements according to the invention, each element being electrically connected with one or more other element(s), in particular via their collectors current.
Selon un autre objet, la présente invention concerne également une batterie comprenant un ou plusieurs modules selon l’invention, et/ou un ou plusieurs caissons selon l’invention.According to another object, the present invention also relates to a battery comprising one or more modules according to the invention, and/or one or more boxes according to the invention.
On entend par « batterie », l’assemblage de plusieurs modules.“Battery” means the assembly of several modules.
Lesdits assemblages peuvent être en série et/ou parallèle.Said assemblies can be in series and/or parallel.
Figurefigure
En référence à la Figure 1, le procédé selon l’invention débute par la fourniture d’une électrode (non-représentée) comprenant un collecteur de courant (non-représenté) sur lequel est déposé un matériau d’électrode 10. Le matériau d’électrode 10 comprend des particules de matériau actif 12 et des particules de matériau conducteur électronique carboné 14.Referring to Figure 1, the method according to the invention begins with the supply of an electrode (not shown) comprising a current collector (not shown) on which is deposited an electrode material 10. The material of The electrode 10 comprises particles of active material 12 and particles of carbonaceous electronic conductor material 14.
Au cours de l’étape A, une couche de revêtement 16 en un matériau isolant électronique et conducteur ionique est déposée à la surface du matériau d’électrode 10.During step A, a coating layer 16 made of an electronic insulating and ion-conductive material is deposited on the surface of the electrode material 10.
L’étape B consiste ensuite en une étape d’infiltration d’une composition d’électrolyte solide 18 à l’intérieur des pores 20 du matériau d’électrode 10 et à la surface de la couche de revêtement 16. Les particules de matériau actif 12 et les particules de matériau électronique carboné 14 se retrouvent ainsi recouvertes de deux couches successives 16 et 18. La couche de revêtement 16 est en contact direct avec les particules 12 et 14 tandis que la couche d’électrolyte solide 18 est déposée à la surface de la couche de revêtement 16.Step B then consists of a step of infiltrating a solid electrolyte composition 18 inside the pores 20 of the electrode material 10 and on the surface of the coating layer 16. The particles of active material 12 and the particles of carbonaceous electronic material 14 thus find themselves covered with two successive layers 16 and 18. The coating layer 16 is in direct contact with the particles 12 and 14 while the solid electrolyte layer 18 is deposited on the surface. of the coating layer 16.
L’étape C consiste enfin en une étape de séchage de la composition d’électrolyte et de compression du matériau afin d’obtenir une électrode selon l’invention.Step C finally consists of a step of drying the electrolyte composition and compressing the material in order to obtain an electrode according to the invention.
ExemplesExamples
Les exemples selon l’invention C1 à C15 sont rassemblés dans les tableaux 1 et 3. Les exemples comparatifs C1* à C4* sont rassemblés dans les tableaux 2 et 3.The examples according to the invention C1 to C15 are collated in Tables 1 and 3. The comparative examples C1* to C4* are collated in Tables 2 and 3.
1- Préparation des électrodes positives1- Preparation of the positive electrodes
Les électrodes positives selon l’invention C1 à C14 sont préparées selon le protocole suivant :The positive electrodes according to the invention C1 to C14 are prepared according to the following protocol:
1èreétape : réalisation d’une électrode poreuse sans électrolyte solide 1st step: production of a porous electrode without solid electrolyte
Les électrodes positives sont préparées selon une méthode analogue à celle utilisée pour les batteries Li-ion classiques avec un électrolyte liquide. Le carbone conducteur (un noir de carbone ou des fibres VGCF de différentes surfaces spécifiques variant de 15 à 200m²/g) est dispersé dans un solvant (N-méthyl-2-pyrrolidone), auquel est rajouté un liant (PVDF – polyfluorure de vinylidène) puis le matériau actif de type NMC de composition : Li(Ni0.33Mn0.33Co0. 33)O2. La quantité de liant est de 5% et ceux des autres constituants sont indiqués dans le tableau 1. La quantité de solvant est adaptée de façon à ce que le mélange présente une viscosité permettant un dépôt homogène de l’encre sur le collecteur de courant en aluminium. Après la réalisation du dépôt, l’électrode est séchée à 120°C pendant 1h.The positive electrodes are prepared using a method similar to that used for conventional Li-ion batteries with a liquid electrolyte. The conductive carbon (a carbon black or VGCF fibers with different specific surfaces varying from 15 to 200m²/g) is dispersed in a solvent (N-methyl-2-pyrrolidone), to which is added a binder (PVDF – polyvinylidene fluoride ) then the active material of the NMC type of composition: Li(Ni 0.33 Mn 0.33 Co 0.33 ) O 2 . The quantity of binder is 5% and those of the other constituents are indicated in table 1. The quantity of solvent is adapted so that the mixture has a viscosity allowing a homogeneous deposit of the ink on the current collector in aluminum. After the deposit has been made, the electrode is dried at 120° C. for 1 hour.
Un calandrage de l’électrode est ensuite réalisé de manière à atteindre une porosité d’environ 70%.Calendering of the electrode is then carried out so as to achieve a porosity of approximately 70%.
2èmeétape : réalisation de la couche de revêtement 2nd step: realization of the coating layer
Une couche de revêtement en LiNbO3 est ensuite déposée à la surface de l’électrode obtenue à la fin de l’étape 1 par dépôt de couche atomique (ALD en anglais pour «Atomic Layer Deposition») selon une procédure adaptée de celles décrites dans la publication : B. Wang, Y. Zhao, M.N. Banis, Q. Sun, K.R. Adair, R. Li, T.K. Sham, X. Sun, Atomic layer deposition of lithium niobium oxides as potential solid-state electrolytes for lithium-ion batteries, ACS Appl. Mater. Interfaces, 10 (2018), pp. 1654-1661A coating layer of LiNbO3 is then deposited on the surface of the electrode obtained at the end of step 1 by atomic layer deposition (ALD in English for “Atomic Layer Deposition”) according to a procedure adapted from those described in the publication: B. Wang, Y. Zhao, M.N. Banis, Q. Sun, K.R. Adair, R. Li, T.K. Sham, X. Sun, Atomic layer deposition of lithium niobium oxides as potential solid-state electrolytes for lithium-ion batteries, ACS Appl. Mater. Interfaces, 10 (2018), p. 1654-1661
Des cycles de dépôts successifs sont réalisés sur l’électrode positive obtenue dans l’étape 1, avec comme précurseurs le tert-butylate de lithium LiOtBu et l’éthanolate de niobium Nb(OEt)5. Le ratio entre la quantité d’ions Lithium et la quantité d’ions Niobium déposés va de 2 :1 à 1 :4.Successive deposition cycles are carried out on the positive electrode obtained in step 1, with lithium tert-butoxide LiO t Bu and niobium ethanolate Nb(OEt) 5 as precursors. The ratio between the amount of Lithium ions and the amount of Niobium ions deposited ranges from 2:1 to 1:4.
Plusieurs cycles de dépôts successifs sont réalisés afin d’obtenir l’épaisseur et la concentration désirées. Les épaisseurs des dépôts sont reportées dans les tableaux 1 et 2.Several successive deposition cycles are carried out in order to obtain the desired thickness and concentration. The thicknesses of the deposits are reported in tables 1 and 2.
3èmeétape : introduction de l’électrolyte solide dans l’électrode positive 3rd step: introduction of the solid electrolyte into the positive electrode
Les pores de l’électrode sont ensuite imprégnés avec un électrolyte sulfure de type Li3PS4. Pour ce faire, des poudres de Li2S et de P2S5sont dissoutes dans de l’acétonitrile anhydre en quantité stœchiométrique pour atteindre la composition Li3PS4avec une concentration massique proche de 5% massique dans la solution.The pores of the electrode are then impregnated with a sulphide electrolyte of the Li 3 PS 4 type. To do this, Li 2 S and P 2 S 5 powders are dissolved in anhydrous acetonitrile in a stoichiometric quantity to reach the Li 3 PS 4 composition with a mass concentration close to 5% by mass in the solution.
Après avoir mélangé la solution pendant 6 heures, l’électrode poreuse obtenue à la fin de la 2èmeétape est enduite par trempage (dip-coating) dans la solution. L’électrode est ensuite séchée en boite à gant puis chauffée sous vide à 150°C pendant 2 heures.After having mixed the solution for 6 hours, the porous electrode obtained at the end of the 2nd stage is coated by soaking ( dip-coating ) in the solution. The electrode is then dried in a glove box and then heated under vacuum at 150° C. for 2 hours.
L’électrode est ensuite comprimée sous une pression de 2t/cm².The electrode is then compressed under a pressure of 2t/cm².
Les électrodes positives comparatives C1* à C3* sont préparées de manière analogue, à l’exception que :The comparative positive electrodes C1* to C3* are prepared analogously, except that:
- pour l’électrode comparative C1* : aucune couche de revêtement n’est déposée à la surface de l’électrode,- for the comparative electrode C1*: no coating layer is deposited on the surface of the electrode,
- pour les électrodes comparatives C2* et C3* : la couche de revêtement en LiNbO3est remplacée par une couche de revêtement en LiLAO2ou en LLZO.- for the comparative electrodes C2* and C3*: the LiNbO 3 coating layer is replaced by a LiLAO 2 or LLZO coating layer.
2- Préparation des électrodes négatives2- Preparation of the negative electrodes
Le même mode de préparation que celui décrit ci-dessus pour la préparation des électrodes positives est utilisé pour la fabrication de l’électrode négative selon l’invention C15, à l’exception que :The same method of preparation as that described above for the preparation of the positive electrodes is used for the manufacture of the negative electrode according to the invention C15, with the exception that:
- le matériau actif est de la poudre de graphite,- the active material is graphite powder,
- le collecteur de courant est en cuivre, et- the current collector is made of copper, and
- la couche de revêtement est en LIPON.- the coating layer is LIPON.
Le dépôt de LiPON est réalisé par dépôt de couche atomique (ALD en anglais pour «Atomic Layer Deposition») selon des conditions adaptées de celles décrites dans les publications :
- A.C. Kozen, A.J. Pearse, C.-F. Lin, M. Noked, G.W. Rubloff, Atomic layer deposition of the solid electrolyte LiPON, Chem. Mater., 27 (2015), pp. 5324-5331
- M. Nisula, Y. Shindo, H. Koga, M. Karppinen Atomic layer deposition of lithium phosphorus oxynitride, Chem. Mater., 27 (2015), pp. 6987-6993LiPON is deposited by Atomic Layer Deposition (ALD) under conditions adapted from those described in the publications:
- AC Kozen, AJ Pearse, C.-F. Lin, M. Noked, GW Rubloff, Atomic layer deposition of the solid electrolyte LiPON, Chem. Mater., 27 (2015), p. 5324-5331
- M. Nisula, Y. Shindo, H. Koga, M. Karppinen Atomic layer deposition of lithium phosphorus oxynitride, Chem. Mater., 27 (2015), p. 6987-6993
L’électrode négative comparative C4* est préparée de manière analogue. Cependant, aucune couche de revêtement n’est déposée à la surface de l’électrode comparative C4*.The comparative negative electrode C4* is prepared analogously. However, no coating layer is deposited on the surface of the comparative electrode C4*.
Les données relatives à chacune des électrodes C1 à C15 et C1* à C4* sont données dans les tableaux 1 et 2 ci-dessous. Les valeurs des conductivités électroniques et ioniques des matériaux de revêtement, mesurées selon les protocoles définis ci-dessus, y sont également reportées ainsi que les valeurs des paramètres A1 et A2, calculés pour chaque électrode par l’application des formules données précédemment.The data relating to each of the electrodes C1 to C15 and C1* to C4* are given in tables 1 and 2 below. The values of the electronic and ionic conductivities of the coating materials, measured according to the protocols defined above, are also reported there as well as the values of the parameters A1 and A2, calculated for each electrode by applying the formulas given above.
Les pourcentages sont donnés en masse par rapport à la masse totale des matériaux d’électrode.The percentages are given by mass relative to the total mass of the electrode materials.
* pourcentage de carbone dans le mélange sans tenir compte de l’électrolyte solide introduit dans les pores* percentage of carbon in the mixture without taking into account the solid electrolyte introduced into the pores
* pourcentage de carbone dans le mélange sans tenir compte de l’électrolyte solide introduit dans les pores* percentage of carbon in the mixture without taking into account the solid electrolyte introduced into the pores
3- Réalisation de l’accumulateur3- Realization of the accumulator
Dans un moule à pastiller de diamètre 7mm contenant une rondelle d’électrode préparée dans les conditions décrites précédemment, 50mg d’électrolyte sulfure de composition (Li3PS4)0.8(LiI)0.2sont ajoutés pour réaliser la couche électrolytique permettant d’assurer l’isolation électronique entre les 2 électrodes. L’ensemble est ensuite comprimé à 5t/cm².In a pellet mold with a diameter of 7 mm containing an electrode washer prepared under the conditions described above, 50 mg of sulphide electrolyte of composition (Li 3 PS 4 ) 0.8 (LiI) 0.2 are added to produce the electrolytic layer making it possible to ensure the electronic insulation between the 2 electrodes. The assembly is then compressed to 5t/cm².
Après démoulage, une pastille de lithium de diamètre 6mm et d’épaisseur 100µm est placée sur la couche électrolytique et comprimée à environ 50 bar.After demoulding, a lithium pellet with a diameter of 6mm and a thickness of 100µm is placed on the electrolytic layer and compressed to around 50 bar.
L’assemblage est ensuite placé dans une cellule électrochimique étanche permettant la connexion électrique avec les 2 électrodes, tout en maintenant une pression mécanique d’environ 50 bar.The assembly is then placed in a sealed electrochemical cell allowing the electrical connection with the 2 electrodes, while maintaining a mechanical pressure of approximately 50 bar.
4- Evaluation des performances des électrodes4- Evaluation of electrode performance
La masse de mélange en mg pour la réalisation de l’électrode est égale à la capacité surfacique souhaitée en mAh/cm² multipliée par la surface de l’électrode et divisée par 150 mAh/g.The mass of mixture in mg for making the electrode is equal to the desired surface capacity in mAh/cm² multiplied by the surface of the electrode and divided by 150 mAh/g.
Chacune des cellules est ensuite chargée à C/10 jusqu’à une tension de 4,3V si l’électrode testée est une électrode positive ou de 0V s’il s’agit d’une électrode négative. La décharge est effectuée à un régime de 1C jusqu’à une tension de 2,5V ou 1V selon qu’il s’agit respectivement d’une électrode positive ou négative.Each of the cells is then charged at C/10 up to a voltage of 4.3V if the electrode tested is a positive electrode or 0V if it is a negative electrode. The discharge is carried out at a rate of 1C down to a voltage of 2.5V or 1V depending on whether it is a positive or negative electrode respectively.
L’écart de tension à 1C lié au revêtement de surface est mesuré. Il correspond à la différence de tension lors de la décharge à 1C à faible profondeur de décharge (par exemple après 10min) entre l’électrode traitée et non traitée et permet de mesurer l’impact de la couche de revêtement sur les performances de l’électrode. Cette valeur est exprimée en V.The voltage difference at 1C related to the surface coating is measured. It corresponds to the voltage difference during discharge at 1C at low depth of discharge (for example after 10min) between the treated and untreated electrode and makes it possible to measure the impact of the coating layer on the performance of the electrode. This value is expressed in V.
Après la décharge à 1C, la cellule est ensuite rechargée à C/10 à une température de 60°C puis maintenue à 4,3V ou 0,05V selon qu’il s’agit respectivement d’une électrode positive ou négative. Le « courant de décomposition de l’électrolyte », correspondant à la valeur absolue du courant d’oxydation ou de réduction de l’électrolyte selon qu’il s’agit respectivement d’une électrode positive ou négative, est mesuré après une durée de 50h de charge. Il est exprimé en µA par cm² d’électrode.After the discharge at 1C, the cell is then recharged at C/10 at a temperature of 60°C then maintained at 4.3V or 0.05V depending on whether it is respectively a positive or negative electrode. The "electrolyte decomposition current", corresponding to the absolute value of the oxidation or reduction current of the electrolyte depending on whether it is respectively a positive or negative electrode, is measured after a period of 50h charge. It is expressed in µA per cm² of electrode.
5- Résultats5- Results
Les résultats obtenus sont donnés dans le tableau 3 ci-dessous.The results obtained are given in Table 3 below.
On observe ainsi que les électrodes selon l’invention C1 à C15 pour lesquelles A1< 4 et A2 > 10 présentent :
- un écart de tension à 1C inférieur à 0,15V, et
- un courant de décomposition de l’électrolyte est inférieur à 10 µA/cm².It is thus observed that the electrodes according to the invention C1 to C15 for which A1<4 and A2>10 have:
- a voltage difference at 1C of less than 0.15V, and
- an electrolyte decomposition current is less than 10 µA/cm².
Le faible écart de tension à 1C traduit le fait que les performances électrochimiques de l’électrode ne sont presque pas affectées par la présence de la couche de revêtement.The low voltage difference at 1C reflects the fact that the electrochemical performance of the electrode is almost unaffected by the presence of the coating layer.
Le faible courant de décomposition démontre que l’électrolyte est stable : il ne réagit pas avec les matériaux des électrodes.The low decomposition current demonstrates that the electrolyte is stable: it does not react with the materials of the electrodes.
Pour les électrodes comparatives C1* et C4*, exemptes de couche de revêtement, le courant de décomposition de l’électrolyte est supérieur à 50µA/cm² : l’électrolyte et les matériaux réagissent entre eux.For the comparative electrodes C1* and C4*, free of coating layer, the decomposition current of the electrolyte is greater than 50µA/cm²: the electrolyte and the materials react with each other.
Dans le cadre de l’électrode comparative C2* pour laquelle A1 = 18,7, on constate un écart de tension à 1C supérieur à 2V. Cet écart de tension élevé traduit une altération significative des propriétés électrochimiques de l’électrode par la couche de revêtement en LiLaO2.In the context of the comparative electrode C2* for which A1=18.7, a voltage difference at 1C greater than 2V is observed. This high voltage difference reflects a significant alteration of the electrochemical properties of the electrode by the LiLaO 2 coating layer.
Dans le cadre de l’électrode comparative C3* pour laquelle A2 = - 3.5, on constate que le courant de décomposition de l’électrolyte est supérieur à 50 µA/cm². La présence de la couche de revêtement en LLZO ne permet pas de prévenir les réactions entre l’électrolyte et les matériaux de l’électrode.In the context of the comparative electrode C3* for which A2 = - 3.5, it can be seen that the decomposition current of the electrolyte is greater than 50 µA/cm². The presence of the LLZO coating layer does not prevent reactions between the electrolyte and the materials of the electrode.
Claims (13)
avec :
où :
e représente l’épaisseur de la couche de revêtement (en m),
i représente la conductivité ionique du matériau isolant électronique et conducteur ionique (en S.m-1),
S(mat. act) représente le rapport de la surface développée par le matériau actif sur la surface totale de l’électrode (en m² de matériau actif par cm² d’électrode),
e représente la conductivité électronique du matériau isolant électronique et conducteur ionique (en S.m-1), et
S(cond.) représente le rapport de la surface en matériau actif et en matériau électronique carboné sur la surface totale de l’électrode (en m2par cm2d’électrode).Electrode usable in an energy storage device comprising at least one active material and at least one carbon electronic material, said electrode being covered, over all or part of its surface, with a coating layer of an electronic insulating and conductive material ion, said electrode being such that A1 < 6 and A2 > 10,
with :
Or :
e represents the thickness of the coating layer (in m),
i represents the ionic conductivity of the electronic insulating material and ionic conductor (in Sm -1 ),
S(mat. act) represents the ratio of the surface developed by the active material to the total surface of the electrode (in m² of active material per cm² of electrode),
e represents the electronic conductivity of the electronic insulating material and ionic conductor (in Sm -1 ), and
S(cond.) represents the ratio of the surface of active material and of carbonaceous electronic material to the total surface of the electrode (in m 2 per cm 2 of electrode).
a) la fourniture d’une électrode,
b) le dépôt sur tout ou partie de la surface de l’électrode d’une couche de revêtement telle que définie dans l’une quelconque des revendications 1 à 6,
c) optionnellement, le dépôt par infiltration dans au moins une partie des pores de la couche de revêtement d’un matériau électrolytique solide, de préférence d’un matériau électrolytique solide soufré, et
d) optionnellement, un traitement permettant la solidification de l’électrolyte, notamment par traitement thermique ou par rayonnement ultraviolet.Method of manufacturing an electrode according to any one of claims 1 to 7 comprising:
a) the provision of an electrode,
b) the deposition on all or part of the surface of the electrode of a coating layer as defined in any one of claims 1 to 6,
c) optionally, the deposition by infiltration in at least part of the pores of the coating layer of a solid electrolytic material, preferably of a solid sulfur-containing electrolytic material, and
d) optionally, a treatment allowing the solidification of the electrolyte, in particular by heat treatment or by ultraviolet radiation.
- une électrode positive ;
- une électrode négative ;
- une couche comprenant une composition électrolytique solide séparant ladite électrode positive et ladite électrode négative, la composition électrolytique comprenant au moins un composé électrolytique solide, de préférence choisi parmi les composés électrolytiques solides soufrés et les polymères ;
ledit élément étant caractérisé en ce que l’une au moins de ladite électrode positive et de ladite électrode négative est telle que définie à l’une quelconque des revendications 1 à 7.Electrochemical element comprising a stack between two electronically conductive current collectors, said stack comprising:
- a positive electrode;
- a negative electrode;
- a layer comprising a solid electrolytic composition separating said positive electrode and said negative electrode, the electrolytic composition comprising at least one solid electrolytic compound, preferably chosen from solid sulfur-containing electrolytic compounds and polymers;
said element being characterized in that at least one of said positive electrode and of said negative electrode is as defined in any one of claims 1 to 7.
i) la fourniture d’une électrode positive et d’une électrode négative, l’une au moins de ladite électrode positive et de ladite électrode négative étant telle que définie à l’une quelconque des revendications 1 à 7 ou ayant été obtenue par la mise en œuvre d’un procédé selon la revendication 8, et
ii) la formation, entre ladite électrode positive et ladite électrode négative, d’une couche comprenant une composition électrolytique solide.Method of manufacturing an element according to one of claims 9 and 10 comprising:
i) the provision of a positive electrode and a negative electrode, at least one of said positive electrode and said negative electrode being as defined in any one of claims 1 to 7 or having been obtained by carrying out a method according to claim 8, and
ii) the formation, between said positive electrode and said negative electrode, of a layer comprising a solid electrolytic composition.
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