Development of sodium-ion batteries

Au vu d’une demande croissante pour un stockage d’énergie à grande échelle, il est préférable de se tourner vers des matériaux peu coûteux et répandus. De ce point de vue, le sodium, qui présente des caractéristiques très proches de celles du lithium, présente également l’avantage d’être peu coûteux, abondant et réparti uniformément dans le monde. Cette thèse porte sur l’étude d’un système complet Na-ion constitué d’un carbone dur à l’électrode négative et d’un oxyde lamellaire à l’électrode positive. Un volet sur l’électrolyte a également été abordé.Concernant l’électrode négative, l’influence de la température de pyrolyse de la cellulose sur la structure des carbones durs et sur les performances électrochimiques a été étudiée. Une graphitisation localisée, une fermeture des pores et une évolution de la porosité interne avec la température de pyrolyse ont pu être observées. Les meilleures performances électrochimiques ont été obtenues pour le matériau synthétisé à 1600 °C : une capacité réversible d’environ 300 mAh.g-1 stable sur 200 cycles est atteinte à 37,2 mA.g-1 avec une efficacité coulombique initiale de 84 %. Pour mieux comprendre les mécanismes d’insertion du sodium dans ces matériaux, des études par spectroscopie d’impédance, SAXS et EDX ont été réalisées sur des carbones durs cyclés à différents potentiels.Le matériau d’électrode positive choisi est l’oxyde lamellaire Na0,6Ni0,25Mn0,75O2. L’influence de la température de calcination a permis de faire varier le nombre de défauts d’empilement de type P3 au profit d’une phase P2 plus cristalline. Après avoir optimisé l’électrolyte à base de carbonates pour garantir la reproductibilité des tests oxyde lamellaire//sodium métal, une capacité d’oxydation de 130 mAh.g-1 a pu être atteinte au premier cycle avant de chuter fortement sur les 40 cycles suivants. Cette perte de capacité a pu être en partie expliquée par des études de DRX operando. Enfin, ces travaux ont permis d’aboutir à des systèmes complets Na-ion dont les premiers résultats sont prometteurs.Because of the development of renewable energy and electric vehicles, the need for a large scale energy storage has increased. This type of storage requires a large amount of raw materials. Therefore low cost and abundant resources are necessary. Consequently the use of sodium batteries is of interest because sodium’s low cost, high abundance, and worldwide availability. This PhD thesis deals with the study of a full Na-ion cell containing a hard carbon negative electrode, and a layered oxide positive electrode. A shorter part concerns the electrolyte.Concerning the negative electrode, the first objective was to understand in detail the influence of the pyrolysis temperature of a hard carbon precursor, cellulose, on the final structure of the material and its consequences on the electrochemical performance. Many techniques were used to characterize the hard carbon structure as a function of the pyrolysis temperature. Localized graphitization, pore closure, and an increase in micropore size have been observed with increasing temperature. The best electrochemical performance has been reached with the hard carbon synthesized at 1600°C: a reversible capacity of around 300 mAh.g-1 stable over 200 cycles is obtained at 37.2 mA.g-1 with an initial coulombic efficiency of 84%. To deeper understand sodium insertion mechanisms in hard carbon structures impedance spectroscopy, SAXS and EDX were carried out on hard carbon electrodes cycled at different voltages.The layered oxide Na0.6Ni0.25Mn0.75O2 was investigated as the positive electrode. It was observed that with increasing calcination temperature the number of P3-type stacking faults decreases in favor of a more crystalline P2 phase. Then, the carbonate-based electrolyte has been optimized to guarantee the reproducibility of the electrochemical tests performed in a layered oxide//sodium metal configuration. A first oxidation capacity of around 130 mAh.g-1 is reached. However this value drops quickly after 40 cycles. Operando XRD analysis did partially explain the capacity decrease. Finally, the results of these investigations were used to design an optimized full cell which demonstrated promising performance during initial testing