Electrical energy storage materials and devices for zero net energy buildings and clean transportation - Le Calvez Etienne (2022)
Les batteries Li-ion sont des dispositifs de stockage de l énergie ayant envahi le marché de l électronique portatifve ainsi que celui des voitures électriques. Elles proposent une densité d énergie relativement haute mais possèdent l inconvénient d une recharge lente principalement à cause de l électrode négative composée de graphite. Pour obtenir des temps de charge plus rapides, les oxydes de niobium ont émergé en raison de leurs structures cristallographiques particulières permettant l insertion des ions Li+ grâce à de bonnes propriétés de diffusion ionique dans le matériau. Ainsi, dans le but d augmenter la densité de puissance des batteries Li-ion, cette thèse a entrepris la synthèse et la caractérisation d oxydes possédant des structures cristallographiques complexes principalement à base de niobium mais également composées d argent, de vanadium, de titane, de tungstène ou encore de molybdène. La formation de lacunes par substitution de l argent par du lanthane dans la pérovskite AgNbO3 a permis d obtenir un premier matériau modèle vis-à-vis de l insertion rapide. Ensuite, les propriétés d échange ionique d une série de matériaux (KTiNbO5, Cs0.5Nb2.5W2.5O14, Rb2TiNb6O18) ont été étudiées dans le but de remplacer les ion K+, Cs+, Rb+ par des protons ou des H3O+. Chaque oxyde protoné présentant des propriétés d insertion bien supérieures à leurs analogue possédant des ions alcalins. Aussi, durant l ensemble de ce travail de thèse, un large panel de méthodes de caractérisation a été utilisé dans le but de définir les propriétés physico-chimique et électrochimiques des matériaux synthétisés. D une part, des caractérisations structurales grâce à l utilisation de la diffraction des rayons X (DRX) et de la microscopie électronique à transmission ont permis de comprendre la structure cristallographique de ces oxydes. D autre part, les mécanismes d insertion ont été résolus grâce à l utilisation de méthodes originales telles que la DRX in situ, la mesure du potentiel entropique ou encore par l utilisation de la calorimétrie operando
Keywords: Énergie Stockage; Automobiles Batteries; Batteries Li-ion; Matériau à charge rapide; Oxyde de niobium; Thèses et écrits académiques