p bloc elements as negative electrode materials for K-ion batteries
Composés à base d’éléments du groupe p comme matériaux d’électrode négative pour accumulateurs K-ion
Résumé
During the last two decades, the massive use of Li-ion batteries led the scientific research community to focus on alternatives systems based on low cost and abundant elements. Among these new systems, Na-ion batteries grew rapidly from the laboratory scale to reach a real commercial application. More recently, the research community focused on the interest of potassium. This element present significant assets for the development of high energy density and high power density batteries because of the low standard potential of K+/K redox couple (vs. SHE) and low desolvation energies of K+ ions in conventional organic solvents.This thesis was focused on the electrochemical reaction mechanism of negative electrode materials in K-ion batteries. The understanding of the reaction mechanisms occurring during cycling is essential for the battery development, it allows preventing the failure and optimise the electrode materials and electrolytes.In that way, two distinct materials for negative electrodes were studied during the thesis: carbonaceous materials, more specially graphite and alloy type materials from the p block of the periodic table such as antimony, bismuth, lead and tin. The use of different characterizations in operando and ex situ conditions allowed obtaining new insights on the reaction mechanism of these electrode materials in K-ion batteries. Finally, the electrode and electrolyte formulations were identified as a key point for the performance optimisation of graphite and alloy materials.Even if the research on K-ion batteries are still in its infancy, the first results are promising and suggest a possible future solution for the energy storage for stationary applications.
L’utilisation massive de batteries Li-ion au cours des deux dernières décennies a poussé les chercheurs de la communauté scientifique à s’intéresser à des systèmes alternatifs basés sur des éléments abondants et peu coûteux. Parmi ces nouveaux systèmes, les batteries Na-ion sont rapidement passées de simples prototypes de laboratoire à des systèmes sur le point d’être commercialisés. Plus récemment, l’intérêt de la communauté des batteries s’est porté sur l’utilisation du potassium. Cet élément présente des atouts non négligeables pour le développement de batteries à haute densité d’énergie et de puissance en raison du faible potentiel standard du couple K+/K (vs. ESH) et des faibles énergies de désolvatation des ions K+ dans les solvants organiques usuels. Les travaux de cette thèse ont été dédiés à l’étude des mécanismes réactionnels de potassiation/dépotassiation de matériaux d’électrodes négatives. La compréhension des mécanismes qui régissent le fonctionnement des batteries est essentielle pour le développement de ces dernières. Elle permet aussi de prévenir des défaillances et de guider les recherches sur l’optimisation des matériaux d’électrode et d’électrolyte. Pour cela, deux grandes familles de matériaux d’électrodes négatives ont été étudiées au cours de cette thèse : les matériaux carbonés et plus spécifiquement le graphite, et les matériaux d’alliages à base d’éléments du bloc p de la classification périodique comme l’antimoine, le bismuth, le plomb et l’étain. L’emploi de différentes techniques de caractérisation en conditions ex situ et operando a permis d’obtenir de nouvelles informations approfondies sur les mécanismes réactionnels de ces matériaux dans les batteries K-ion. Enfin, les formulations de l’électrode et de l’électrolyte ont été identifiées comme points clés batteries pour l’optimisation des performances du graphite et des matériaux d’alliages. Même si la recherche sur les batteries K-ion reste encore au stade fondamental, ces premiers résultats sont prometteurs et laissent entrevoir un possible avenir de ces batteries pour le stockage de l’énergie d’applications stationnaires.
Origine : Version validée par le jury (STAR)