Gas-Phase Carbon Coating of LiFeP04 Nano Particles as a Cathode Building Block for Li-Ion Batteries

Les véhicules électriques représentent une solution envisagée dans le secteur des transports pour atténuer les défis relatifs au réchauffement climatique et qui relèvent principalement des émissions du dioxyde de carbone vers l'atmosphère. Les batteries aux ions lithium constituent la partie la plus importante des véhicules électriques et ainsi elles contrôlent le prix ultime de ce genre de véhicules. Par conséquent, il est crucial de développer les batteries les plus légères possibles et qui ont la performance électrochimique la plus proéminente. Le coût majeur des batteries aux ions lithium revient à leur électrode cathodique. Les poudres de phosphate de fer lithié (PFL) constituent le matériau composant le plus prometteur de l'électrode cathodique de ces batteries. Les PFL ont reçu l'intérêt du secteur industriel ainsi qu'académique vu leurs avantages clés comme la stabilité thermique, le respect de l'environnement, la sécurité et relativement le coût économique. Or, hormis tous ces avantages, les PFL sont confrontés aux limitations de la faible conductivité et la faible diffusivité ionique. La fabrication des particules à petit diamètre et l'application d'une couche de revêtement appropriée comme le graphite de carbone sur la surface des PFL permettent fréquemment de contrecarrer ces limitations. Le revêtement offre aussi un cycle de vie plus long pour les batteries rechargeables. Toutefois, les procédés conventionnels de revêtement en carbone utilisent soit un liquide comme le sucre dissout soit un solide comme un copolymère ou un précurseur de carbone ce qui fait surgir des problèmes comme le coût élevé, un excès de carbone (poids mort), une couche non uniforme et des types indésirables des revêtements en carbone. Tirant profit de la diffusivité beaucoup plus élevée du précurseur de carbone gazeux sur la surface des poudres de PFL, nous avons développé un procédé de revêtement en carbone en phase gazeuse qui comprend un réacteur à lit fluidisé pour le dépôt chimique en phase vapeur (FB-CVD) pour déposer une couche mince de carbone à températures élevées inférieures à la température de frittage à savoir 750 °C sur des poudres PFL de taille nano qui ont été synthétisées par la méthode hydrothermique. A cause de la présence sévère des forces inter particulaires, les nanoparticules PFL tel que reçues avec une distribution de taille primaire de 50 à 400 nm ont été agglomérées et donc ils ont eu une distribution de taille secondaire de de 5 à 850 m. L'effet des conditions opératoires telles que le type et la concentration du précurseur de carbone, la température, le temps de réaction, le temps de séjour du gaz, la distribution de tailles des poudres PFL secondaires sur la qualité du carbone déposé en terme de l'épaisseur du revêtement, du type de carbone et de la performance électrochimique des poudres C-PFL produites a été optimisé dans ce travail de recherche. Parmi plusieurs candidats pour le précurseur, le propylène a été considéré comme le plus approprié. Un réacteur à lit fluidisé utilisant le chauffage par induction et fabriqué à l'échelle laboratoire a été modifié et adapté pour effectuer les tests du FB-CVD et une procédure opératoire standard a été développée. Les poudres PFL revêtues ont été caractérisées par les analyses XRD, SEM, TEM, XPS, la spectroscopie Raman, la mesure de conductivité, LECO et l'analyse électrochimique. Les premières séries d'investigation concernaient la production de C-PFL à partir des poudres PFL secondaires avec une distribution des tailles de 125 à 250 m et représentant poudres du groupe de Geldart A et ceci dans l'équipement FB-CVD développé afin d'examiner scientifiquement la faisabilité du procédé du revêtement en carbone en phase gazeuse quant à savoir ou pas si le carbone a été déposé uniformément sur la surface des poudres PFL dans un réacteur à lit fluidisé et de sorte que les propriétés électrochimiques soient supérieurement améliorées. Les résultats ont montré que le carbone a été avec succès déposé uniformément sur la surface des poudres PFL à des conditions opératoires optimales de sorte que le carbone de graphite constitue à peu près le double du carbone de type diamant et la capacité de décharge des PFL a été significativement élevée de 40 à 130 mA.h/g. Suite aux résultats prometteurs des poudres PFL du groupe Geldart A , le travail de recherche a mis l'accent sur l'application du procédé de FB-CVD optimal pour les poudres PFL secondaires très cohésives de taille inférieure à 90 m. L'originalité de ce travail de recherche se résume dans le développement d'un réacteur FB-CVD assisté par impulsions en utilisant une électrovanne à l'entrée du réacteur avec fonctionnement intermittent pour surpasser les forces inter particulaires et par conséquent fluidiser tout le lit des PFL. Par la suite, des poudres C-LFP avec un carbone revêtu beaucoup plus uniforme comparé aux poudres PFL qui sont plus grandes de taille ont été obtenus et la capacité de décharge de plus de 140 mA.h/g a été atteinte. L'analyse XPS a révélé qu'une liaison très forte a été formée entre le carbone déposé et le phosphate de PFL. Les analogies entre les échantillons C-PFL dérivées des procédés basés sur le FB-CVD et le FB-CVD assisté par impulsions révèlent que le PFL avec une distribution de tailles plus petite possède une électro-conductivité supérieure et une meilleure performance comme matériel cathodique d'une cellule de batterie.