Caractérisation de la réactivité de surface de matériaux d’électrode positive riches en nickel pour batteries Li-ion

L’électrification des véhicules se base aujourd’hui sur l’utilisation de batteries Lithium-ion utilisant des oxydes lamellaires de nickel, manganèse et cobalt (NMC) comme matériaux d’électrode positive. Au niveau industriel, la production de matériaux riches en nickel est désormais privilégiée pour satisfaire la demande de meilleures autonomies de la batterie de la part des consommateurs. Cependant, ces matériaux sont affectés par un fort dégagement gazeux pendant le cyclage en batterie. Plusieurs études ont été conduites pour définir les principales causes de ce dégazage et trouver les meilleures solutions pour le réduire. En revanche, la plus grande partie de ces recherches se concentre exclusivement sur une observation des matériaux pendant le cyclage. Pour répondre au besoin d’une caractérisation systématique du NMC riche en Ni dans son état initial, les surfaces de plusieurs échantillons industriels ont été observées à l’aide de différentes techniques d’analyse. 7Li MAS-NMR, XPS, STEM-EELS et SEM-FIB ont été combinées pour obtenir une description complète des matériaux et de leurs surfaces. Les limites et complémentarités de chaque technique sont discutées et les résultats obtenus comparés et exploités de façon synergique. Il a donc été possible de décrire en détail la surface du matériau dans son état initial à l’échelle nanométrique et d’évaluer ensuite l’influence des conditions de stockage, ainsi que des étapes de mise en forme en électrode. Le mode opératoire ainsi défini a pu être utilisé par la suite pour analyser la surface de matériaux issus de différentes méthodes de synthèse.The electrification of vehicles is currently based on the use of Lithium-ion batteries using lamellar oxides of nickel, manganese and cobalt (NMC) as positive electrode materials. At the industrial level, the production of nickel-rich materials is now the main focus in order to satisfy the need for longer range battery performances demanded by consumers. However, these materials are affected by strong outgassing during battery cycling. Several studies have been conducted to define the main factors contributing to this outgassing and to find the best solutions to reduce it. The majority of this research, though, focuses exclusively on observing the materials during cycling. To address the necessity of a systematic characterisation of Ni rich NMC in its initial state, the surfaces of several industrial samples were observed using different analytical techniques. 7Li MAS-NMR, XPS, STEM-EELS and SEM-FIB were used to obtain a thorough description of the materials and their surfaces. The limitations and complementarities of each technique are discussed and the results obtained compared and exploited in a synergistic way. It was thus possible to describe in detail the surface of the material in its initial state at the nanometric scale and to evaluate the influence of the storage conditions, as well as the electrode preparation steps. The procedure thus defined could then be used to analyse the surface of materials from different synthesis methods