en fr Development of innovative electrolytes for safer lithium-ion batteries Développement de solutions innovantes délectrolytes pour sécuriser les accumulateurs lithium-ion Report as inadecuate




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1 LCOS - Laboratoire de Chimie Organométallique de Surface

Abstract : Lithium-ion batteries are dominating both the nomad device and electric vehicle markets. However they raise safety concerns related to their electrolyte, which consists of flammable and volatile carbonate mixtures and toxic salts. The replacement of the latter by ionic liquids IL, liquid salts claimed to be thermally stable and non-flammable, could provide a safer alternative. Yet this often claimed feature has been poorly examined by experiments. The work of this thesis investigates IL behaviour under abuse conditions such as overheating, fire or overcharge. Decomposition temperatures of IL based on differently substituted imidazolium or pyrrolidinium cations and the bistrifluoromethanesulfonylimide anion were determined by thermogravimetric analysis TGA. A critical study of gathered data from literature and our work led to the determination of an optimised procedure to obtain reproducible and comparable results. Electrolytes based on carbonates mixtures or IL and containing lithium salt were studied by dynamic and isothermal TGA, and their decomposition products were identified. Their combustion behaviour was also tested by measuring heats of combustion and ignition delays. Emitted gases were analysed and quantified. Electrochemical cycling tests were carried out with these electrolytes in lithium-ion systems based on Li4Ti5O12 and LiNi1-3Mn1-3Co1-3O2 electrodes. The evolution of the electrolytes and electrodes surface was also examined under overcharge

Résumé : Les batteries lithium-ion dominent le marché des appareils nomades et celui des véhicules électriques. Néanmoins elles posent des problèmes de sécurité liés à leur électrolyte, contenant des carbonates inflammables et volatils. Pour sécuriser ces systèmes, les liquides ioniques LI sont étudiés comme électrolytes alternatifs. Ce sont des sels liquides à température ambiante, réputés stables thermiquement et non inflammables. Ce caractère sécuritaire des LI, souvent avancé, est pourtant peu étayé par des expériences probantes. Les travaux de cette thèse visent à comprendre le comportement de ces LI en situations abusives, telles qu-un échauffement de la batterie, un feu ou une surcharge. Les températures de décomposition de LI contenant les cations imidazolium ou pyrrolidinium différemment substitués et l-anion bistrifluoromethanesulfonylimide ont été déterminées par analyse thermogravimétrique ATG. Une analyse critique des données de la littérature et de nos mesures a permis de définir une procédure optimisée, pour obtenir des résultats reproductibles et comparables. Des électrolytes constitués de mélanges de carbonates ou de LI et de sels de lithium ont été analysés par ATG dynamique et isotherme, et leurs produits de décomposition ont été identifiés. Leur comportement au feu a été testé par la mesure des chaleurs de combustion, des délais d-inflammation et l-identification des gaz générés. Des tests de cyclage électrochimique ont été menés avec ces mêmes électrolytes dans des systèmes lithium-ion constitués des électrodes Li4Ti5O12 et LiNi1-3Mn1-3Co1-3O2. L-évolution des électrolytes et des surfaces des électrodes en situation de surcharge a été examinée

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Keywords : Cycling Overcharge Thermal and electrochemical stabilities Ionic liquid Safety Lithium-ion battery

Mots-clés : Batterie lithium-ion Électrolyte Sécurité Liquide ionique Stabilités thermique et électrochimique Combustion Surcharge Cyclage





Author: Léa Chancelier -

Source: https://hal.archives-ouvertes.fr/



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