Développement d'une cathode à base de lithium-fer-phosphate (LiFePO4) supportée par du carbone biosourcé pour la batterie au lithium

protéger l'environnement et favoriser le développement durable. Dans ce contexte, la transition énergétique occupe une place centrale, exigeant des solutions de stockage d'énergie plus efficaces et plus durables. Les batteries lithium-ion, largement utilisées dans diverses applications stationnaires et mobiles, jouent un rôle essentiel dans cette transition. Toutefois, malgré la maturité de cette technologie, des défis subsistent, notamment dans la conception des éléments constitutifs tels que la cathode, qui influencent directement les performances de stockage. Les cathodes des batteries lithium-ion sont fabriquées à partir de matériaux variés, parmi lesquels le lithium-fer-phosphate (LiFePO4) se distingue par un bon rapport coût/performance. Cependant, l'insertion et la désinsertion des ions lithium (Li⁺) lors des cycles de charge et de décharge restent problématiques, impactant la durabilité et l'efficacité de la cathode. À ce jour, des matériaux comme le graphite et le graphène sont utilisés pour supporter le LiFePO4 et améliorer sa conductivité. Néanmoins, ces matériaux présentent des limites : le graphite est issu de sources fossiles polluantes, et la fabrication du graphène est particulièrement énergivore. Cette thèse explore donc une approche alternative consistant à utiliser du carbone actif synthétisé à partir de déchets de biomasse, permettant non seulement d'améliorer les performances du LiFePO4, mais aussi de réduire les coûts et l'impact environnemental de sa production. Pour synthétiser ce carbone actif, deux types de biomasse ont été retenus : l'épi de mil et la jacinthe d'eau. Le mil est une culture résistante aux conditions arides, courante en Afrique et en Asie, ce qui en fait une ressource abondante et durable. La jacinthe d'eau, quant à elle, est une plante aquatique envahissante des zones tropicales et subtropicales, dont la prolifération excessive menace les écosystèmes aquatiques. La transformation de ces biomasses en carbone actif représente une solution de valorisation innovante et encore peu explorée pour des applications de stockage d'énergie. Selon l'analyse de la littérature, il est évident que ces déchets n'avaient jamais été étudiés auparavant comme carbone actif pour améliorer les performances de la cathode LiFePO4. Dans un premier temps, les résidus d'épi de mil et de jacinthe d'eau ont fait l'objet d'études préliminaires approfondies, incluant une analyse de leur composition en carbone.

Abstract

In response to the challenges posed by climate change, concrete actions are necessary to protect the environment and promote sustainable development. In this context, energy transition plays a central role, requiring more efficient and sustainable energy storage solutions. Lithium-ion batteries, widely used in various stationery and mobile applications, are essential for this transition. However, despite the maturity of this technology, challenges remain, particularly in the design of key components such as the cathode, which directly influences storage performance. The cathodes of lithium-ion batteries are manufactured from various materials, among which lithium iron phosphate (LiFePO4) stands out due to its good cost/performance ratio. However, the insertion and extraction of lithium ions (Li⁺) during charge and discharge cycles remain problematic, affecting the durability and efficiency of the cathode. To date, materials such as graphite and graphene have been used to support LiFePO4 and enhance its conductivity. However, these materials have limitations: graphite is derived from polluting fossil sources, and graphene production is highly energy intensive. This thesis explores an alternative approach using activated carbon synthesized from biomass waste, which not only improves LiFePO4’s performance but also reduces costs and the environmental impact of its production. To synthesize activated carbon, two types of biomasses were selected: millet cob and water hyacinth. Millet is a drought-resistant crop, commonly grown in Africa and Asia, making it an abundant and sustainable resource. Water hyacinth, on the other hand, is an invasive aquatic plant found in tropical and subtropical regions, whose excessive proliferation threatens aquatic ecosystems. Converting these biomasses into activated carbon represents an innovative and underexplored solution for energy storage applications. A review of the existing literature confirms that these biomass residues had never been studied before as activated carbon for improving LiFePO4 cathode performance. First, millet cob and water hyacinth were subjected to preliminary studies, including an analysis of their carbon composition. The results revealed an average carbon content of 43.90% for millet cob and 40.55% for water hyacinth, indicating their potential for conversion into activated carbon.