Etude de l’influence de la nano structuration du dioxyde d’étain sur le mécanisme de conversion et les performances électrochimiques
Résumé
Les matériaux dits de « conversion » sont une voie intéressante pour le développement de nouveaux matériaux d’électrode négative à haute capacité pour les accumulateurs lithium ion. Le dioxyde d’étain allie à la fois les propriétés électrochimiques exceptionnelles de l’étain tout en ayant une meilleure stabilité. Pour le SnO2 massif, il a été montré que le mécanisme de conversion était multi-phase. La première réaction est irréversible, le lithium en se liant à l'oxygène constitue une matrice inactive électrochimiquement. L'étain formé pendant cette réaction est l'élément actif vis-à-vis du lithium et va par la suite s’allier avec le lithium et stocker jusqu’à 4,4 unités de lithium dans un atome d’étain. L’utilisation industrielle de SnO2 est malheureusement limitée par plusieurs effets. L’importante perte de capacité initiale causée par la formation irréversible d’une interface solide électrolyte (SEI) pendant le cyclage et par la conversion irréversible du SnO2 (i). L’insertion et la désinsertion du lithium, qui même si elles sont atténuées par la matrice inactive, entraine des contraintes internes et une dégradation de l’électrode. De nombreux travaux ont reporté l’influence positive de la nano structuration de SnO2 sur les contraintes mécaniques permettant ainsi d’améliorer la capacité et la durée de vie. La nano structuration va aussi permettre de réduire les longueurs de diffusions/transports des ions et électrons. De plus, il a aussi été reporté que la première réaction de conversion pouvait devenir réversible pour certaines morphologies et ainsi augmenter la capacité. Cependant, en raison de la variabilité des paramètres de synthèses des caractérisations et des résultats d’un article à l’autre, il est difficile d’avoir une compréhension de l’influence de la nano structuration et de du mécanisme de lithiation. Nous proposons ici trois méthodes de synthèses simples de nanoparticules de SnO2 avec des morphologies et des porosités variées: sol-gel, hydrothermale et solvothermale. Les matériaux ainsi synthétisés ont été caractérisés par microscopie électronique à balayage (MEB), diffraction des rayons X (DRX) infrarouge à transformée de Fourier (FTIR), analyse thermogravimétrique (ATG) et adsorption d’azote (BET). Les performances électrochimiques ont été évaluées en ½ pile. L’effet de la nano structuration et de la porosité& sur les mécanismes et sur les performances électrochimiques a été étudié. Il s’agit dans un premier temps de comprendre l’influence de la synthèse sur la taille et la morphologie des particules, puis leur impact sur les propriétés électrochimiques. Des mesures de DRX in situ au cours de cyclage ont apporté un éclairage sur les mécanismes se produisant lors des phases de charge/décharge pour ces nanostructures particulières.