Understanding degradation in water-in-salt batteries

Comprendre les mécanismes de dégradation dans les batteries aqueuses à électrolyte concentré Les batteries de type Li-ion ont un rôle majeur à jouer dans la transition écologique, notamment pour le développement du véhicule électrique mais aussi en fournissant des systèmes de stockage optimisé. Cependant, le système le plus commercialisé, les batteries lithium-ion, atteint ses limites en matière de densité d’énergie et de sécurité. Pour améliorer leur sécurité, il est possible de remplacer l'électrolyte organique inflammable par un électrolyte aqueux. Jusqu’à présent, l’eau n'était pas employé comme solvant en raison de son étroite fenêtre de stabilité électrochimique de 1,23 V théoriquement, rendant la densité d’énergie de la batterie trop faible pour une quelconque application. Récemment, cette limitation a pu être surmontée en utilisant un électrolyte surconcentré en sel, connu sous le nom de "water-in-salt" (WISE) où un sel de lithium est introduit en grande quantité, dépassant le solvant en masse et en volume. Une concentration élevée en sel diminue l'activité moléculaire de l'eau, limitant ainsi les réactions de décomposition de l'eau, la réaction d'évolution d'hydrogène (HER) et la réaction d'évolution d'oxygène (OER). Ainsi, la fenêtre de stabilité électrochimique de l'électrolyte est élargie jusqu'à 3 V dans le cas d’une solution de 21 mol/kg de LiTFSI. Si cet électrolyte tient de multiples promesses en termes de propriétés de transport avec une haute conductivité ionique, les batteries réalisées avec WISE font face à de nombreuses réactions de dégradations menant à l’assèchement de la cellule, la corrosion des collecteurs de courant, des évolutions de gaz, résultant en une fin de vie prématurée de la cellule. Ce travail de thèse cherche à étudier les raisons de telles propriétés de transport, mais aussi quels sont les réactions qui conduisent aux pertes de performances. Dans un premier temps, l’impact de la concentration en sel sur la dynamique des molécules d'eau est étudié par une approche multi-échelles en combinant des résultats provenant de résonance magnétique nucléaire en champ pulsé et de la diffusion quasi-élastique des neutrons. Ces données corrélées aux mesures de conductivités ioniques et de viscosité en fonction de la concentration en sel, ont permis d’établir un modèle sur la mobilité des espèces dans l’électrolyte aqueux. Une fois la dynamique de l’électrolyte aqueux étudiée, nous nous sommes intéressés aux mécanismes de dégradation. Pour ce faire, deux matériaux actifs ont été sélectionné, LiFePO4 pour l’électrode positive et TiS2 pour l’électrode négative. En combinant les résultats de multiples techniques de caractérisation (spectroscopie photoélectronique X (XPS) au laboratoire et aux grands instruments, diffraction des rayons X et des neutrons, etc.) nous avons démontré qu’une couche de passivation, riche en LiF pour LiFePO4 et en TiO2 pour TiS2, se créé au contact électrode/électrolyte et est donc indépendante des conditions de cyclage. Finalement, les performances électrochimiques du système LiFePO4/TiS2 ont pu être étudié en configuration deux électrodes et trois électrodes pour essayer d’élucider les paramètres contrôlant les pertes en cyclage. Plusieurs paramètres ont été testées notamment le potentiel d’oxydation, le balancing des électrodes et la vitesse de cyclage. Quelle que soit la configuration de la batterie, les pertes de performances sont toujours visibles et comprendre ces dégradations nécessite alors une approche multi-techniques. La formation de gaz est suivie par spectroscopie de masse couplée, l’oxydation du fer est suivie par spectroscopie d’absorption X et les dégradations de surfaces sont suivies par XPS. In fine, les dégradations semblent être liées à la réaction HER mais aussi OER, l’oxydation des nanoparticules de carbone de l’électrode et encore d’autres réactions parasites non-identifiées. L’ensemble de la méthodologie présenté ici, permet une meilleure compréhension des batteries lithium-ion aqueuses basées sur les électrolytes "water-in-salt".