thesis

Study of rechargeable aprotic Li-O2 batteries

Defense date:

Jan. 1, 2014

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Institution:

Amiens

Authors:

Abstract EN:

Est-il possible d'augmenter la densité d'énergie des batteries au lithium pour apporter l'autonomie souhaitée pour les applications véhicules électriques, voire réseaux? Une note d'espoir peut effectivement provenir des systèmes métaux-air et plus spécialement du Lithium-air qui suscite aujourd'hui l'engouement des fabricants d'automobiles. Sur la base de calculs théoriques, la technologie Li-air pourrait fournir des densités d'énergie de 3500 Wh kg(-1), soit environ 15 fois plus que celles des accumulateurs à ions lithium. Cependant, pour rendre de tels systèmes opérationnels, de nombreux verrous technologiques liés à l'efficacité énergétique et à la tenue en cyclage, pour ne citer que cela, doivent être levés. C'est le but de cette thèse. Pour répondre aux problèmes de stabilité, nos travaux se sont tout d'abord centrés sur l'étude de l'électrode négative avec notamment une tentative de remplacement de l'électrode de Li par une électrode de Si (LixSi). Pour contrecarrer la faible efficacité énergétique du système liée à une forte polarisation entre la décharge et la charge, les mécanismes de réaction d'évolution (OER) et de réduction (RRO) de l'oxygène dans différents solvants ont été étudiés. Nous avons trouvé que le nombre donneur (ND) du solvant utilisé est le facteur clé gouvernant la nucléation-croissance de Li202 soit via la solution soit à surface de l'électrode, ce qui est d'une importance capitale pour améliorer les performances de l'accumulateur Li-O2. Enfin par souci de présenter une étude complète, l'influence de différents additifs sur la RRO a été étudiée. Ces études fondamentales se sont avérées à la fois utiles et nécessaires pour comprendre avec précision ce nouveau système

Abstract FR:

Rechargeable aprotic Li-02 batteries have gained significant attention because of their high theoretical specific energy of 3500 Wh kg(-1). However, there are many challenges relevant to the development of a practical réversible aprotic Li-O2 battery. The main challenges can be divided into two parts. Firstly, stability issues from: 1) Li métal négative electrodes reacting with contamination from the air, such as H2O and CO2, and some electrolytes, and Li dendrite formation ; 2) positive O2 electrode reactions with the discharge product Li202, and oxidation reaction on charging > 3. 5 V ; 3) electrolyte stability towards O2 reduction products or intermediates. Secondly, the poor discharge/charge voltaic efficiency and cycle life problems, which originate from: 1) large overpotentials on discharge and charge; 2) decomposition of cell component during ORR and OER. In order to overcome these challenges, fundamental studies are critical. This thesis focuses on these two main challenges. With regards to stability issues, an alternative negative electrode was studied, where LixSi is used in place of metallic Li in Li-02 batteries. The results suggest that a LixSi electrode is not stable towards to O2. In addition, an investigation of a new electrolyte, 1-methylimidazole (Me-Im) was discussed. When studying the discharge and charge products at the end of each cycle while using a Me-Im based electrolyte, the data suggests that the stability of Me-Im is not sufficient for use in a rechargeable aprotic Li-Oj battery. The poor discharge/charge voltaic efficiency and cycle life issues of the Li-02 battery are in part related to the fundamental processes occurring during reduction at the O2 electrode and an understanding of these would facilitate development of an efficient, reversible Li-02 battery. With this in mind, the mechanism of O2 reduction reaction (ORR) in aprotic solvents has been studied, with emphasis on the effect of solvent donor number (DN). This has resulted in the development of a mechanism for Li202 formation in aprotic electrolytes, which will be described within. Understanding the mechanism of O2 reduction has enabled strategies to be proposed that may overcome the limitations at the O2 electrode of Li-Oi batteries. For example, the introduction of complexing-cations as additives during ORR is suggested, where the complexing-cations provide "positive charge pockets" that interact with the O2 reduced species, resulting in improving the solubility of Li202 and O2 reduction kinetics. This approach has been demonstrated and shown to have a significant effect on the ORR in an aprotic electrolyte.