Effects of surface chemical treatment on silicon negative electrodes for lithium-ion batteries: an in situ infrared spectroscopic study - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 2013

Effects of surface chemical treatment on silicon negative electrodes for lithium-ion batteries: an in situ infrared spectroscopic study

Effets du traitement chimique de la surface d'une électrode négative en silicium amorphe pour batterie lithium-ion: étude par spectroscopie infrarouge in situ

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Abstract

Silicon represents an expressive gain in energy density for negative electrodes in Li-ion batteries. Reversible cycling and long term stability of silicon electrodes are both dependent of the passivation efficiency of the solid electrolyte interface (SEI) layer formed at the electrode surface. Surface and bulk phenomena of amorphous silicon were studied by in-situ FTIR spectroscopy during electrochemical cycling. Electrodes were prepared by thin-film deposition of hydrogenated amorphous silicon on ATR crystals, allowing for the measurements of electrode reactions in the original chemical environment. The results reveal a dynamic surface passivation layer which is intensively formed during the first lithiation, partially dissolved during delithiation and that grows continuously along the cycling life. Electrolyte components play a major role on the chemical composition of the SEI layer. Various electrode treatments were obtained by chemical and electrochemical grafting of different molecular layers on silicon surface. The results show that the silicon electrochemical performance is strongly affected by the chemical nature, chain size and covering ratio of the grafted species. Carboxyl-terminated monolayers represent an attractive functionalization for silicon electrodes due to their densely packed structure, strong covalent attachment to the active material and chemical similarity with typical SEI products. Such a surface treatment leads to a good anchoring support for the SEI, increasing its stability and improving silicon electrochemical performance. On the other hand, the use of plasma enhanced chemical vapor deposition technique for preparing the amorphous silicon electrodes allow us to add carbon (as -CH3) to the silicon layer, with verified improvements in cycling performance. This methylated silicon material show improved electrochemical performances at same time as it develops a thicker SEI layer.
L'utilisation d'électrodes négatives en silicium est susceptible d'apporter un gain notable en densité de stockage énergétique dans les batteries Li-ion. Toutefois, la réversibilité du cyclage et la stabilité à long terme des électrodes de silicium sont toutes deux dépendantes de l'efficacité de la passivation par la couche interfaciale d'électrolyte solide (SEI) qui se forme à la surface de l'électrode. La spectroscopie infrarouge in situ a été utilisée pour étudier les phénomènes de surface et le volume qui interviennent au cours du cyclage électrochimique du silicium amorphe. Les électrodes ont été préparées par dépôt de couches minces de silicium amorphe hydrogéné sur des prismes utilisés en géométrie de réflexion totale atténuée (ATR), ce qui autorise de suivre l'évolution de l'électrode dans son environnement (électro)chimique. On voit ainsi qu'une couche de passivation de surface se forme très rapidement lors de la première lithiation, se dissous partiellement pendant la délithiation et croit progressivement pendant les cycles successifs. La composition de l'électrolyte joue un rôle majeur sur la composition chimique de la couche SEI. Par ailleurs, les électrodes ont été préalablement soumises à différents traitements chimiques ou électrochimiques permettant le greffage de différentes couches moléculaires à la surface de silicium. Les résultats montrent que les performances électrochimiques du silicium ainsi prétraité sont fortement influencées par la nature chimique, la taille et le taux de recouvrement des espèces greffées. Les monocouches constituées de groupements carboxy-alkyles représentent une solution attractive pour la fonctionnalisation des électrodes de silicium, probablement en raison de leur structure dense, de leur ancrage covalent sur la matière active et leur similarité chimique avec des produits typiques de la couche SEI. Un tel traitement de surface offre à la couche SEI la possibilité de s'ancrer solidement à l'électrode, augmente sa stabilité et améliore ainsi les performances électrochimiques du silicium. D'autre part, le procédé de dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma, utilisé pour obtenir les électrodes en silicium amorphe, permet d'ajouter à la matière active du carbone sous forme de groupes méthyles (CH3). Ceci conduit à une augmentation de la cyclabilité de l'électrode. Le silicium ainsi méthylé présente une amélioration de ses performances électrochimiques en même temps que se développe à sa surface une couche SEI épaisse.
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Cite

Daniel Alves Dalla Corte. Effects of surface chemical treatment on silicon negative electrodes for lithium-ion batteries: an in situ infrared spectroscopic study. Materials Science [cond-mat.mtrl-sci]. Ecole Polytechnique X, 2013. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨pastel-00877545⟩
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