thesis

Réactivité électrochimique des hydrures métalliques vis-à-vis du lithium : Electrodes négatives pour batteries Li-ion : Stockage de l'hydrogène par voie solide-gaz

Defense date:

Jan. 1, 2009

Edit

Institution:

Amiens

Disciplines:

Materials science and engineering

Authors:

Directors:

Abstract EN:

The use of metal hydrides as negative electrode for lithium-ion batteries, combining the advantage of high gravimetric and volumetric capacities of hydrides with high energy density of lithium ion batteries, is proposed here for the first time as a promising opportunity to achieve in the coming decades powerful batteries. Magnesium hydride, with the largest gravimetric capacity (2038 mAh. G-1), a theoretical potential equilibrium of 0. 520 V and a low cost, was naturally chosen as a candidate to investigate this new type of application of metal hydrides. It reacts with lithium ions according to a conversion mechanism: MgH2 + 2 Li+ + 2 e-  Mg0 + 2LiH, where magnesium hydride reacts with lithium ions to form at the end of the discharge, metallic magnesium and lithium hydride. The electrochemical reactivity of commercial magnesium hydride is very low (reversible capacity lower than 50 mAh. G-1). Different preparation methods of the material such as milling, carbon addition, solid-gas preparation followed by milling with carbon were needed to improve the reactivity of commercial magnesium hydride, leading to increase the reversible capacity from 50 mAh. G-1 to 1450 mAh. G-1 (75% of the theoretical capacity 2038 mAh. G-1) for an irreversible loss of 25% with an average potential of 0. 5 Volt vs. Li+/Li0. This interest for the magnesium hydride is reinforced by the polarization of the potential/capacity curves ranging between 200 mV-300 mV. The reactivity of magnesium hydride with lithium is shown to be a new way for the preparation of nanometals and nanohydrides for hydrogen storage materials by solid-gas reaction at low temperatures. Finally, this reactivity is not specific to magnesium hydride; it can be extended to some binary hydrides (NaH, TiH2) and different families of intermetallic hydrides (Mg2NiH3,7, TiNiH, LaNi4,25Mn0,75H5) thus opening new routes for preparation of materials in both fields of hydrogen storage and lithium-ion technology.

Abstract FR:

L’utilisation d’hydrures métalliques est proposée pour la première fois comme électrode négative pour la technologie à ion lithium, couplant l’avantage des hautes capacités massiques et volumétriques des hydrures avec la haute densité d’énergie des batteries à ions lithium. L’hydrure de magnésium, avec la plus importante capacité massique (2038 mAh. G-1), un potentiel d’équilibre théorique de 0,520 V et un faible coût a été naturellement choisi comme cas d’école pour mener des investigations sur ce nouveau type d’application des hydrures métalliques. La réaction électrochimique mise en jeu est un mécanisme de conversion : MgH2 + 2 Li+ + 2 e-  Mg0 + 2LiH, au cours duquel l’hydrure MgH2 réagit avec les ions lithiums pour former en fin de décharge du magnésium métallique dispersé dans une matrice d’hydrure de lithium. Partant d’un hydrure commercial dont la réactivité électrochimique est très faible différentes étapes de chimie préparatrice du matériau (broyage, broyage avec un carbone Ct,x, préparation solide-gaz suivie du broyage avec du carbone Ct,x) conduisant à la réduction de la taille des particules initiales de l’hydrure ont été nécessaires afin d’optimiser la capacité réversible qui est passée de 50 mAh. G-1 à 1450 mAh. G-1 pour une perte irréversible de 25% à un potentiel moyen de 0,5 Volt par rapport à Li+/Li0. Cet intérêt pour l’hydrure de magnésium est notamment renforcé par la polarisation des courbes potentiel/capacité comprise entre 200 mV-300 mV et qui est de loin la plus faible de tous les systèmes étudiés jusqu’à présent dans les réactions de conversion. Egalement très prometteuse, la réactivité de l’hydrure de magnésium avec le lithium est démontrée comme étant une nouvelle voie de préparation de nano-métaux et d’hydrures aux propriétés accrues pour le stockage de l’hydrogène à basse température, température avec notamment une absorption et une désorption complète obtenues à 100°C et 200°C, pour le magnésium et l’hydrure préparés électrochimiquement. Finalement, cette réactivité n’est pas spécifique à l’hydrure de magnésium et peut être étendue à certains hydrures binaires (NaH, TiH2) et ternaires (Mg2NiH3,7, TiNiH et, LaNi4,25Mn0,75H5), ouvrant ainsi de nouvelles perspectives de préparation de matériaux sur mesures tant pour le stockage gazeux de l’hydrogène que pour la technologie Li-ion.