Doping of Metal Oxides for Battery Electrodes in Ion-Gated Transistor Configuration

Les batteries lithium-ion (LIB) sont une technologie universellement utilisée pour le stockage électrochimique de l'énergie. Elles exploitent des matériaux d'intercalation qui présentent à la fois une conductivité des ions lithium et une conductivité électronique, c'est-à-dire une conductivité mixte ion-électron. La plupart des batteries LIB commerciales sont constituées d'oxyde de cobalt de lithium, d'oxyde de manganèse de lithium ou de phosphate de fer de lithium comme matériaux de cathode, et de graphite comme matériau d'anode. Le lithium et le cobalt, largement utilisés dans les piles à combustible, sont des éléments critiques, de sorte que le recyclage des piles à combustible est aujourd'hui impératif. À cette fin, il est important d'établir des paramètres permettant de déterminer le moment opportun pour déclarer une pile à combustible "usée" et, par conséquent, "à recycler". Le fonctionnement des piles à lithium implique une variété de processus chimiques et physiques qui nécessitent des méthodes avancées pour comprendre leur effet sur les performances de la batterie pendant sa durée de vie utile. La présence de processus électrochimiques irréversibles impliqués dans le fonctionnement des piles à lithium-ion complique la détermination précise de l'état de santé des piles à lithium-ion. Des études avancées de caractérisation in situ et ex situ de la dégradation des piles à lithium indiquent que la détermination de l'état de santé des piles à lithium nécessite des mesures in operando. Les transistors à grille ionique (IGTs) sont des dispositifs polyvalents qui peuvent moduler la conductivité électronique des matériaux en utilisant différentes géométries, différents matériaux et différents milieux ioniques. Les transistors ioniques fonctionnent en induisant l'accumulation et/ou l'insertion d'ions près de la surface ou à l'intérieur d'un matériau semi-conducteur, ce qui permet de moduler la conductivité électronique du canal du transistor. Dans les IGT, l'utilisation d'un matériau d'électrode de grille à surface élevée, tel que le charbon actif (dont la surface est de l'ordre de 103

Abstract

Lithium-ion batteries (LIBs) are a ubiquitous technology for electrochemical energy storage. LIBs exploit intercalation materials that feature both lithium ion and electronic conductivity, i.e. mixed ion-electron conductivity. Most commercial LIBs consist of either lithium cobalt oxide, lithium manganese oxide or lithium iron phosphate as cathode materials, and graphite as anode material. Lithium and cobalt, widely used in LIBs, are critical elements such that LIBs’ recycling is imperative nowadays. To this purpose, it is important to establish metrics to decide when it is the right time to declare a LIB “spent” and as such “to be recycled”. The operation of LIBs involves a variety of chemical and physical processes that require advanced methods to understand their effect on the performance of the battery during its useful operation time. The presence of irreversible electrochemical processes involved in the operation of LIBs complicates the precise determination of the state of health of LIBs. Advanced in situ and ex situ characterization studies of LIB degradation indicate that determining LIBs’ state of health (SOH) requires in operando measurements. Ion-gated transistors (IGTs) are versatile devices that can modulate the electronic conductivity of materials by using different geometries, gating materials and ionic gating media. IGTs operate by inducing the accumulation and/or insertion of ions near the surface of/within a semiconductor material, thereby modulating the electronic conductivity of the transistor channel. In IGTs, the use of a high surface area gate electrode material, such as activated carbon (with a surface area in the order of 103