Synthèse de titanates de lithium nanostructurés par plasma inductif pour les batteries lithium-ion

Le marché des accumulateurs lithium-ion est en expansion. Cette croissance repose partiellement sur la multiplication des niches d’utilisation et l’amélioration constante de leurs performances. En raison de leur durabilité exceptionnelle, de leur faible coût, de leur haute densité de puissance et de leur fiabilité, les anodes basées sur les titanates de lithium, et plus particulièrement le spinelle Li4Ti5O12, présentent une alternative d’intérêt aux matériaux classiques d’anodes en carbone pour de multiples applications. Leur utilisation sous forme de nanomatériaux permet d’augmenter significativement la puissance disponible par unité de poids. Ces nanomatériaux ne sont typiquement pas contraints dans une direction particulière (nanofils, nanoplaquettes), car ces formes impliquent une tension de surface plus importante et requièrent donc généralement un mécanisme de synthèse dédié. Or, ces nanostructures permettent des réductions supplémentaires dans les dimensions caractéristiques de diffusion et de conduction, maximisant ainsi la puissance disponible, tout en affectant les propriétés habituellement intrinsèques des matériaux. Par ailleurs, les réacteurs continus reposant sur la technologie du plasma thermique inductif constituent une voie de synthèse démontrée afin de générer des volumes importants de matériaux nanostructurés. Il s’avère donc pertinent d’évaluer leur potentiel dans la production de titanates de lithium nanostructurés. La pureté des titanates de lithium est difficile à jauger. Les techniques de quantification habituelles reposent sur la fluorescence ou la diffraction en rayons X, auxquelles le lithium élémentaire se prête peu ou pas. Afin de quantifier les nombreuses phases (Li4Ti5O12, Li2Ti3O7, Li2TiO3, TiO2, Li2CO3) identifiées dans les échantillons produits par plasma, un raffinement de Rietveld fut développé et validé. La présence de γ-Li2TiO3 fut identifiée, et la calorimétrie en balayage différentiel fut explorée comme outil permettant d’identifier et de quantifier la présence de β-Li2TiO3. Différentes proportions entre les phases produites et différents types de morphologies furent observés en fonction des conditions d’opération du plasma. Ainsi, des conditions de trempe réductrice et d’ensemencement en Li4Ti5O12 nanométrique semblent favoriser l’émergence de nanomorphologies en nanofils (associés à Li4Ti5O12) et en nanoplaquette (associées à Li2TiO3). De plus, l’ensemencement et les recuits augmentèrent significativement le rendement en la phase spinelle Li4Ti5O12 recherchée. Les recuits sur les poudres synthétisées par plasma indiquèrent que la décomposition du Li2Ti3O7 produit du Li4Ti5O12, du Li2TiO3 et du TiO2 (rutile). Afin d’approfondir l’investigation de ces réactions de décomposition, les paramètres cristallins du Li2Ti3O7 et du γ-Li2TiO3 furent définis à haute température. Des mesures continues en diffraction en rayon X à haute température furent réalisées lors de recuits de poudres synthétisées par plasma, ainsi que sur des mélanges de TiO2 anatase et de Li2CO3. Celles-ci indiquent la production d’un intermédiaire Li2Ti3O7 à partir de l’anatase et du carbonate, sa décomposition en Li4Ti5O12 et TiO2 (rutile) sur toute la plage de température étudiée, et en Li2TiO3 et TiO2 (rutile) à des températures inférieures à 700°C.

Novel approaches to the synthesis and treatment of cathode materials for lithium-ion batteries

Nous avons mis au point une approche novatrice pour la synthèse d’un matériau de cathode pour les piles lithium-ion basée sur la décomposition thermique de l’urée. Les hydroxydes de métal mixte (NixMnxCo(1-2x)(OH)2) ont été préparés (x = 0.00 à 0.50) et subséquemment utilisés comme précurseurs à la préparation de l’oxyde de métal mixte (LiNixMnxCo(1-2x)O2). Ces matériaux, ainsi que le phosphate de fer lithié (LiFePO4), sont pressentis comme matériaux de cathode commerciaux pour la prochaine génération de piles lithium-ion. Nous avons également développé un nouveau traitement post-synthèse afin d’améliorer la morphologie des hydroxydes. L’originalité de l’approche basée sur la décomposition thermique de l’urée réside dans l’utilisation inédite des hydroxydes comme précurseurs à la préparation d’oxydes de lithium mixtes par l’intermédiaire d’une technique de précipitation uniforme. De plus, nous proposons de nouvelles techniques de traitement s’adressant aux méthodes de synthèses traditionnelles. Les résultats obtenus par ces deux méthodes sont résumés dans deux articles soumis à des revues scientifiques. Tous les matériaux produits lors de cette recherche ont été analysés par diffraction des rayons X (DRX), microscope électronique à balayage (MEB), analyse thermique gravimétrique (ATG) et ont été caractérisés électrochimiquement. La performance électrochimique (nombre de cycles vs capacité) des matériaux de cathode a été conduite en mode galvanostatique.

Synthèse du LiXFePO4 par voie fondue et l’étude de la couche de carbone sur LiFePO4

Le LiFePO4 est un matériau prometteur pour les cathodes des batteries au lithium. Il possède une bonne stabilité à haute température et les précurseurs utilisés pour la synthèse sont peu couteux. Malheureusement, sa faible conductivité nuit aux performances électrochimiques. Le fait de diminuer la taille des particules ou d’enrober les particules d’une couche de carbone permet d’augmenter la conductivité. Nous avons utilisé une nouvelle méthode appelée « synthèse par voie fondue » pour synthétiser le LiFePO4. Cette synthèse donne des gros cristaux et aucune impureté n’est détectée par analyse Rayon-X. En revanche, la synthèse de LiXFePO4 donne un mélange de LiFePO4 pur et d’impureté à base de lithium ou de fer selon l’excès de fer ou de lithium utilisé. La taille des particules de LiFePO4 est réduite à l’aide d’un broyeur planétaire et plusieurs paramètres de broyage sont étudiés. Une couche de carbone est ensuite déposée sur la surface des particules broyées par un traitement thermique sur le LiFePO4 avec du -lactose. L’influence de plusieurs paramètres comme la température du traitement thermique ou la durée du chauffage sont étudiés. Ces expériences sont réalisées avec un appareil d’analyse thermogravimétrique (ATG) qui donne la quantité de chaleur ainsi que la variation de masse durant le chauffage de l’échantillon. Ce nouveau chauffage pour la couche de carbone donne des échantillons dont les performances électrochimiques sont similaires à celles obtenues précédemment avec la méthode de chauffage pour la couche de carbone utilisant le four tubulaire.

A detailed study of the lithiation of iron phosphate as well as the development of a novel synthesis of lithium iron silicate as cathode material for lithium-ion batteries

Dans cette thèse nous démontrons le travail fait sur deux matériaux de cathodes pour les piles lithium-ion. Dans la première partie, nous avons préparé du phosphate de fer lithié (LiFePO4) par deux méthodes de lithiation présentées dans la littérature qui utilisent du phosphate de fer (FePO4) amorphe comme précurseur. Pour les deux méthodes, le produit obtenu à chaque étape de la synthèse a été analysé par la spectroscopie Mössbauer ainsi que par diffraction des rayons X (DRX) pour mieux comprendre le mécanisme de la réaction. Les résultats de ces analyses ont été publiés dans Journal of Power Sources. Le deuxième matériau de cathode qui a été étudié est le silicate de fer lithié (Li2FeSiO4). Une nouvelle méthode de synthèse a été développée pour obtenir le silicate de fer lithié en utilisant des produits chimiques peu couteux ainsi que de l’équipement de laboratoire de base. Le matériau a été obtenu par une synthèse à l’état solide. Les performances électrochimiques ont été obtenues après une étape de broyage et un dépôt d’une couche de carbone. Un essai a été fait pour synthétiser une version substituée du silicate de fer lithié dans le but d’augmenter les performances électrochimiques de ce matériau.

Low cost synthesis of cathode and anode materials for lithium-ion batteries

Dans cette thèse, nous démontrons des travaux sur la synthèse à faible coût des matériaux de cathode et l'anode pour les piles lithium-ion. Pour les cathodes, nous avons utilisé des précurseurs à faible coût pour préparer LiFePO4 et LiFe0.3Mn0.7PO4 en utilisant une méthode hydrothermale. Tout d'abord, des matériaux composites (LiFePO4/C) ont été synthétisés à partir d'un précurseur de Fe2O3 par une procédé hydrothermique pour faire LiFePO4(OH) dans une première étape suivie d'une calcination rapide pour le revêtement de carbone. Deuxièmement, LiFePO4 avec une bonne cristallinité et une grande pureté a été synthétisé en une seule étape, avec Fe2O3 par voie hydrothermale. Troisièmement, LiFe0.3Mn0.7PO4 a été préparé en utilisant Fe2O3 et MnO comme des précurseurs de bas coûts au sein d'une méthode hydrothermale synthétique. Pour les matériaux d'anode, nous avons nos efforts concentré sur un matériau d'anode à faible coût α-Fe2O3 avec deux types de synthèse hydrothermales, une a base de micro-ondes (MAH) l’autre plus conventionnelles (CH). La nouveauté de cette thèse est que pour la première fois le LiFePO4 a été préparé par une méthode hydrothermale en utilisant un précurseur Fe3+ (Fe2O3). Le Fe2O3 est un précurseur à faible coût et en combinant ses coûts avec les conditions de synthèse à basse température nous avons réalisé une réduction considérable des coûts de production pour le LiFePO4, menant ainsi à une meilleure commercialisation du LiFePO4 comme matériaux de cathode dans les piles lithium-ion. Par cette méthode de préparation, le LiFePO4/C procure une capacité de décharge et une stabilité de cycle accrue par rapport une synthétisation par la méthode à l'état solide pour les mêmes précurseurs Les résultats sont résumés dans deux articles qui ont été récemment soumis dans des revues scientifiques.

Dynamics of pattern writing and erasure in photorefractive lithium niobate for data storage applications

The present rate of technological advance continues to place significant demands on data storage devices. The sheer amount of digital data being generated each year along with consumer expectations, fuels these demands. At present, most digital data is stored magnetically, in the form of hard disk drives or on magnetic tape. The increase in areal density (AD) of magnetic hard disk drives over the past 50 years has been of the order of 100 million times, and current devices are storing data at ADs of the order of hundreds of gigabits per square inch. However, it has been known for some time that the progress in this form of data storage is approaching fundamental limits. The main limitation relates to the lower size limit that an individual bit can have for stable storage. Various techniques for overcoming these fundamental limits are currently the focus of considerable research effort. Most attempt to improve current data storage methods, or modify these slightly for higher density storage. Alternatively, three dimensional optical data storage is a promising field for the information storage needs of the future, offering very high density, high speed memory. There are two ways in which data may be recorded in a three dimensional optical medium; either bit-by-bit (similar in principle to an optical disc medium such as CD or DVD) or by using pages of bit data. Bit-by-bit techniques for three dimensional storage offer high density but are inherently slow due to the serial nature of data access. Page-based techniques, where a two-dimensional page of data bits is written in one write operation, can offer significantly higher data rates, due to their parallel nature. Holographic Data Storage (HDS) is one such page-oriented optical memory technique. This field of research has been active for several decades, but with few commercial products presently available. Another page-oriented optical memory technique involves recording pages of data as phase masks in a photorefractive medium. A photorefractive material is one by which the refractive index can be modified by light of the appropriate wavelength and intensity, and this property can be used to store information in these materials. In phase mask storage, two dimensional pages of data are recorded into a photorefractive crystal, as refractive index changes in the medium. A low-intensity readout beam propagating through the medium will have its intensity profile modified by these refractive index changes and a CCD camera can be used to monitor the readout beam, and thus read the stored data. The main aim of this research was to investigate data storage using phase masks in the photorefractive crystal, lithium niobate (LiNbO3). Firstly the experimental methods for storing the two dimensional pages of data (a set of vertical stripes of varying lengths) in the medium are presented. The laser beam used for writing, whose intensity profile is modified by an amplitudemask which contains a pattern of the information to be stored, illuminates the lithium niobate crystal and the photorefractive effect causes the patterns to be stored as refractive index changes in the medium. These patterns are read out non-destructively using a low intensity probe beam and a CCD camera. A common complication of information storage in photorefractive crystals is the issue of destructive readout. This is a problem particularly for holographic data storage, where the readout beam should be at the same wavelength as the beam used for writing. Since the charge carriers in the medium are still sensitive to the read light field, the readout beam erases the stored information. A method to avoid this is by using thermal fixing. Here the photorefractive medium is heated to temperatures above 150�C; this process forms an ionic grating in the medium. This ionic grating is insensitive to the readout beam and therefore the information is not erased during readout. A non-contact method for determining temperature change in a lithium niobate crystal is presented in this thesis. The temperature-dependent birefringent properties of the medium cause intensity oscillations to be observed for a beam propagating through the medium during a change in temperature. It is shown that each oscillation corresponds to a particular temperature change, and by counting the number of oscillations observed, the temperature change of the medium can be deduced. The presented technique for measuring temperature change could easily be applied to a situation where thermal fixing of data in a photorefractive medium is required. Furthermore, by using an expanded beam and monitoring the intensity oscillations over a wide region, it is shown that the temperature in various locations of the crystal can be monitored simultaneously. This technique could be used to deduce temperature gradients in the medium. It is shown that the three dimensional nature of the recording medium causes interesting degradation effects to occur when the patterns are written for a longer-than-optimal time. This degradation results in the splitting of the vertical stripes in the data pattern, and for long writing exposure times this process can result in the complete deterioration of the information in the medium. It is shown in that simply by using incoherent illumination, the original pattern can be recovered from the degraded state. The reason for the recovery is that the refractive index changes causing the degradation are of a smaller magnitude since they are induced by the write field components scattered from the written structures. During incoherent erasure, the lower magnitude refractive index changes are neutralised first, allowing the original pattern to be recovered. The degradation process is shown to be reversed during the recovery process, and a simple relationship is found relating the time at which particular features appear during degradation and recovery. A further outcome of this work is that the minimum stripe width of 30 ìm is required for accurate storage and recovery of the information in the medium, any size smaller than this results in incomplete recovery. The degradation and recovery process could be applied to an application in image scrambling or cryptography for optical information storage. A two dimensional numerical model based on the finite-difference beam propagation method (FD-BPM) is presented and used to gain insight into the pattern storage process. The model shows that the degradation of the patterns is due to the complicated path taken by the write beam as it propagates through the crystal, and in particular the scattering of this beam from the induced refractive index structures in the medium. The model indicates that the highest quality pattern storage would be achieved with a thin 0.5 mm medium; however this type of medium would also remove the degradation property of the patterns and the subsequent recovery process. To overcome the simplistic treatment of the refractive index change in the FD-BPM model, a fully three dimensional photorefractive model developed by Devaux is presented. This model shows significant insight into the pattern storage, particularly for the degradation and recovery process, and confirms the theory that the recovery of the degraded patterns is possible since the refractive index changes responsible for the degradation are of a smaller magnitude. Finally, detailed analysis of the pattern formation and degradation dynamics for periodic patterns of various periodicities is presented. It is shown that stripe widths in the write beam of greater than 150 ìm result in the formation of different types of refractive index changes, compared with the stripes of smaller widths. As a result, it is shown that the pattern storage method discussed in this thesis has an upper feature size limit of 150 ìm, for accurate and reliable pattern storage.

An efficient approach for the direct synthesis of lithium niobate powders

Lithium niobate powders from the raw powders of Li2 O5 are directly synthesized by a combustion method with urea fuel. The synthesis parameters (e.g. the calcination temperature, calcination time, and urea-to-(Li2 CO3 + Nb2 O5) quantity ratio) are studied to reveal the optimized synthesis conditions for preparing high-quality lithium niobate powders. In our present work, it is found that a urea-to-(Li2 CO3 + Nb2 O5) ratio close to 3, calcination temperature at 550-600 degrees and reaction time around 2.5h may lead to high-quality lithium niobate powsers. The microstructure of synthesized powders is further studied; a possible mechanism of the involved reactions is also proposed.

A solvothermal route to crystalline lithium niobate

A solvothermal route for the preparation of crystalline state lithium niobate using Li2 CO3 and Nb2 O5 is developed. Oxalic acid is employed as solvent, which coordinates with niobium oxide to stimulate the main reaction. Scanning electron microscopy images show that the as-prepared sample displays a cubic morphology. X-ray diffraction and IR spectrum of the as-prepared sample indicate that the sample is well crystalline.

Effect of heating rate on the crystal composition of ferroelectric lithium niobate crystallites

A series of lithium niobate powders were synthesized by the combustion method at different heating rates. The effect of heating rate on the crystal composition of lithium niobate powders was investigated by powder X-ray diffraction measurements. It has been found that the lithium content in the as-synthesized lithium niobate powders increases with decreasing the heating rate. On the basis of the existed structure-property relationship of lithium niobate single crystals, it was concluded that high quality lithium niobate powders can be effectively synthesized at a lower heating rate (in the range of 5-10 C/min) by the combustion method.

Facile synthesis of Lithium Niobate squares by a combustion route

A combustion synthesis of lithium niobate (LN) squares from activated niobium oxide (Nb2 O5.nH2O) and Li2CO3 was studied to understand all the chemical reactions involved, and the nucleation and square-growth mechanisms. It was found that first the lithium ions react with the fuel (urea), then niobium ions of Nb2 O5.nH2O begin a continuous reaction with the fuel to form metal-organic complexes. LN nuclei are formed by the solid-state reaction of Li- and Nb-organic complexes at 430 degrees celcius. Lithium niobate squares are obtained in the crystallization stasge at 700 degrees celcius, which go on the grow into larger squares at 850 degrees celcius because of the agglomeration effect.