Étude de l’interface lithium métal/polymère pour l’optimisation des batteries lithium métal tout solide

Le gain en popularité de l’électricité dans le domaine énergétique, observable depuis plusieurs décennies, accentue l’urgence de développer des équipements de stockage efficaces et performants. Les batteries au lithium-ion (Li-ion), commercialisées depuis le début des années 1990, ont presque atteint les limites théoriques imposées par leurs composantes. La recherche s’oriente donc aujourd’hui vers les batteries tout-solide constituées d’une électrode négative de lithium métal. Ces batteries seraient en mesure d’atteindre des densités énergétiques supérieures à celles attribuables aux batteries lithium-ion utilisées et commercialisées à ce jour. Cependant, il subsiste toujours une impasse qui doit être solutionnée afin d’en assurer la viabilité : la formation de dendrites ou de mousse de lithium à la surface de l’électrode négative de lithium métal occasionne le court-circuit des batteries et en réduit l’espérance de vie.  Plusieurs pistes de solutions sont proposées afin de réduire ou d’éliminer les problèmes de croissance dendritique et de mousse de lithium. Toutefois, il y a un manque d’information dans la littérature en lien avec la corrélation entre l’état de surface des électrodes négatives (anodes) de lithium métal et les performances électrochimiques de ces dernières. Ce projet de recherche visera donc, entre autres, à étudier l’impact de l’état de surface de l’électrode négative de lithium sur ses performances électrochimiques, dont son temps de vie, sa polarisation et son impédance.  Une caractérisation a été effectuée sur les feuilles de lithium étudiées et sur l’interface lithium métal/électrolyte polymère. Suite à l’étude des feuilles sous leur forme native, des dépôts protecteurs d’or, d’aluminium et de fluorure de lithium ont été appliqués par déposition en phase vapeur (PVD) sur le lithium industriel de basse rugosité, afin d’évaluer si ces derniers amélioraient la performance électrochimique des cellules. La caractérisation physique a été effectuée par microscopie de force atomique à effet tunnel (Peakforce-TUNA) et microscopie électronique à balayage (MEB). Ensuite, la caractérisation chimique de chaque feuille de lithium utilisée a été caractérisée principalement par spectroscopie photoélectronique par rayons X (XPS) et par spectrométrie de masse à plasma induit (ICP-MS), permettant respectivement de connaître la composition chimique surfacique et complète des feuilles de lithium. Finalement, l’impact de l’interface lithium métal/électrolyte polymère sur la viabilité des cellules complètes a été déterminé par des cyclages galvanostatiques. Ces batteries ont enfin été observées post mortem par MEB afin d’observer l’impact du cyclage sur l’état interne des cellules.  Il a été déterminé que la morphologie des feuilles de lithium et de l’interface lithium métal/électrolyte polymère ont un impact sans équivoque sur la durée de vie et sur la polarisation des cellules étudiées. Une méthode de préparation de surface électrochimique a donc été conçue, en cyclant les électrodes de lithium à basse densité de courant (0,130 mA.cm-2), améliorant ainsi la durée de vie des cellules symétriques exploitant des électrodes de lithium métal. The increased use of electricity witnessed during the past few decades emphasizes the urgency of developing efficient and performing energy storing devices. Present on the market since the beginning of the 1990s, Lithium-ion (Li-ion) batteries have reached the theoretical limit inherent to their components. Research efforts currently aim at developing all-solid batteries composed of a negative lithium electrode. This type of electrode uses only lithium in its pure metallic state and it has the capacity to attain higher energy densities than those attributable to the lithium-ion batteries. Despite the potential of this promising technology, there is an obstacle that must be overcome in order to ensure its viability: the formation of dendrites and mossy lithium on the surface of the lithium metal negative electrode causes the batteries to short-circuit and reduces their life expectancy. Several solutions have been proposed in the literature in order to either eliminate or mitigate the issues of dendritic growth and mossy lithium. However, published studies do not specifically address the correlation between the state of the surface of the lithium metal and its electrochemical performance when used as the negative electrode (anode). This research project therefore focused on evaluating the impact of the state of the surface the lithium metal negative electrode on its electrochemical performance, such as its lifetime, polarization, and impedance. The lithium sheets and the lithium metal/polymer electrolyte interface were characterized in order to better understand the problematic processes related to the use of the lithium metal in batteries. In addition to studying the sheets in their native form, a protective gold deposit was applied by physical vapor deposition (PVD) on the lithium sheets to determine whether the deposit improved the electrochemical performance of the cells. The physical characterization was performed by using tunnelling atomic force microscopy (Peakforce-TUNA) and scanning electron microscopy (SEM). Each lithium x sheet used was then characterized by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS). These chemical characterizations allowed to determine the surface and bulk chemical compositions of the lithium sheets. Finally, in order to understand the impact of the lithium metal/polymer electrolyte interface on the viability of complete cells, galvanostatic cycling, similar to true operating conditions of a battery, was performed. Cross-sections of these batteries were assessed post-mortem by SEM in order to analyze the impact of the cycling density on the internal state of the cells. It has been determined that the morphology of the lithium foils and the lithium metal/polymer electrolyte interface impacted the lifespan and the polarization of the studied cells. An electrochemical surface preparation method was therefore designed by cycling the lithium electrodes at a low current density (0.130 mA.cm-2), thus improving the life of the symmetrical cells composed of lithium metal electrodes.

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