Soutenance de thèse : Nathan REYDET

Étude électrochimique couplée à la tomographie à rayons X des impuretés dans les électrodes négatives de lithium­ métal.

Doctorant : Nathan REYDET

Laboratoire : MATEIS - Matériaux Ingénierie et Sciences

École doctorale : ED 34 ML - Matériaux

Le développement des véhicules électriques (VE) nécessite des batteries avec une densité énergétique accrue. Bien que les batteries Li-ion dominent le marché, elles atteignent progressivement leurs limites chimiques. Le lithium métal à l'électrode négative représente une alternative de choix pour augmenter significativement la densité énergétique. Cependant, son utilisation reste complexe en raison de son comportement encore mal compris, notamment la formation d'inhomogénéités de dépôt et d'oxydation, qui déstabilisent l'interface électrolyte/lithium au cours du cyclage. Cette thèse s'appuie sur un couplage entre une analyse détaillée de la microstructure du lithium métal et une étude électrochimique réalisée sur des cellules symétriques Li/Electrolyte/Li et des batteries Li/Electrolyte/LFP en configuration pouch-cell. L'objectif est de mieux comprendre les mécanismes de dégradation du lithium qui limitent la durée de vie des batteries. Une attention particulière a été portée à la population des inclusions et des précipités dans la microstructure du lithium. En combinant tomographie X et microscopie optique, cette thèse a caractérisé en détail ces microstructures, notamment les inclusions identifiées comme des cristaux d'hydrure de lithium (LiH). Ces analyses ont révélé un phénomène de fracturation des inclusions au cours du laminage, selon le rapport entre la taille moyenne des inclusions et l'épaisseur du laminé. Une évolution significative de la taille et de la fraction volumique de LiH a également été mise en évidence au cours du vieillissement du lithium métal, selon les conditions de stockage. Un modèle de maturation et d'absorption d'hydrogène est proposé. Les différents lots de lithium, présentant une microstructure différente et bien caractérisée, ont été testés dans des batteries en conservant systématiquement le même électrolyte et la même positive. Ces études ont mis en lumière les liens entre la taille, la densité volumique et la fraction volumique des inclusions, et la dynamique des mécanismes de dégradation. Il a été démontré que la taille des inclusions à l'interface Li/électrolyte est le facteur le plus critique, présentant une corrélation directe avec l'intensité des courants de courts-circuits. Un procédé de purification a également été développé pour réduire la présence des inclusions. Ce procédé a permis de réduire partiellement ces inclusions, mais a également modifié profondément la microstructure du lithium, affectant notablement la distribution des précipités et des inclusions. Les résultats de cette thèse amènent une compréhension approfondie des mécanismes de dégradation du lithium métal dus aux inclusions de LiH et mettent en lumière des perspectives pour optimiser la qualité de ce métal utilisé dans les batteries. Ces travaux soulignent également les défis à relever pour son utilisation généralisée et optimisée dans des systèmes électrochimiques avancés avec de faibles épaisseurs d'électrode.