Synthèse par atomisation du K3V(PO4)2 et optimisation de ses performances électrochimiques dans un accumulateur K-ion

Abstract

Les batteries sont des candidats prometteurs quant au stockage de l'énergie. Parmi celles-ci, les accumulateurs Li-ion sont généralement utilisés en raison de leur haute performance. Cependant le lithium possède les désavantages d’être peu abondant et cher, ce qui limite la fabrication de ce type de batterie. Le potassium (K), quant à lui, est un des éléments très abondant sur la planète et présente des propriétés électrochimiques similaires à celles du lithium. Les matériaux à base de potassium se présentent donc comme une alternative intéressante pour la mise en place de nouveaux accumulateurs efficaces. Ce travail porte sur la synthèse par atomisation du K3V(PO4)2 (KVP) comme matériau de cathode pour accumulateur K-ion. La phase KVP pure est obtenue par atomisation d’une solution de précurseurs suivie d’une calcination de la poudre obtenue à 650°C durant 8h. Des nanotubes de carbone (CNT) ainsi que du graphène (GO) sont ajoutés lors de la synthèse afin d’améliorer les conductivités électroniques et ioniques du KVP. La phase KVP est à nouveau obtenue pure et les capacités électrochimiques sont doublées, en présence de CNT, voir triplée, en présence de GO. Un broyage est aussi effectué sur les différents échantillons afin d’augmenter à nouveau les performances du KVP. A ce stade, les meilleurs résultats sont obtenus pour le composite KVP/CNT, donnant des capacités électrochimiques allant de 70 à 75 mAh/g pour une vitesse de cyclage de C/20, après un temps de broyage optimal de 120 minutes. Finalement deux solvants d’électrolyte, le propylène carbonate (PC) et l’éthylène carbonate (EC), sont testés afin d’évaluer l’influence du choix du solvant sur les résultats en batterie. Cette recherche représente donc un point de départ quant à la réalisation de nouveaux composites KVP/carbone comme cathode d’accumulateur K-ion.

Rechargeable batteries appear to be promising alternatives for energy storage. Currently Lithium (Li)-ion batteries are used due to their outstanding energy and power capacity. Unlike Lithium, potassium is one of the most prevalent elements on earth and exhibits similar electrochemical properties to lithium, which indicates that K could be used for battery systems. Potassium-based materials are therefore an interesting alternative for the introduction of new efficient accumulators. This work focuses on the spray-drying synthesis of K3V(PO4)2 (KVP) as cathode material for K-ion accumulators. The pure KVP phase is obtained by spray-drying of a precursor solution followed by calcination of the powder obtained at 650 ° C for 8 hours. Carbon nanotubes (CNT) and graphene (GO) are added during the synthesis to improve the electrical and ionic conductivities of KVP. The KVP phase is obtained pure again and the electrochemical capacities are doubled in the presence of CNT, and can even be tripled, in the presence of GO. Grinding is another operation that is carried out on the different samples, again to increase the performance of the KVP. At this stage, the best results are obtained for the KVP/CNT composite, giving electrochemical capacities ranging from 70 to 75 mAh/g for cycling at C/20 rate, after an optimum grinding time of 120 minutes. Finally, two electrolyte solvents, propylene carbonate (PC) and ethylene carbonate (EC) are tested in order to evaluate the influence of the choice of the solvent on the battery results. This research is therefore a starting point for the realization of new KVP/carbon composites as a K-ion accumulator cathode.