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Performing energy storage devices need to be developed in the context of Energy transition. Such systems have to maintain high energy density during a large number of cycles, to meet the challenge of clean transportation. Silicon (Si) is a good candidate for Li-ion systems anodes’ with its capacity which is 10 times higher than commercial graphite. However, silicon degradation mechanisms impede wide commercial deployment. The objective of this work is to optimize characteristics of Si to obtain performing anodes. Two strategies are employed to achieve this goal: the size reduction of Si particles and the deposition of a carbon coating on the silicon surface. The synthesis technique in this work is double stage laser pyrolysis which allows the tunable synthesis of nanoparticles. A wide range of nanoparticles, with diameters from 29 nm to 107 nm, is obtained and the best trade-off on performance is obtained for 53 nm particles. Nanoparticles with core@shell morphology (Si@C), with 29 nm diameter are obtained in one-step, the carbon representing 19 % of the total mass. The carbon coating allows a better capacity retention as 81 % of the capacity is conserved for Si@C compared to 72 % of the capacity conserved for Si particles. A fundamental study by EIS and XPS enlightens the role of the more organic chemical composition of the interphase between the solid and the electrolyte for the stabilization of the Si@C particles. Another strategy for stabilization is the design of SiGe nanostructured alloys to take advantage of the germanium stability in anodes. Several alloy compositions have been synthetized by laser pyrolysis. All alloy composition exhibit an original SiGe@Si core-shell structure which may explain the better performance obtained, compared with the state of the art.; Un des enjeux de la transition énergétique est de disposer de systèmes de stockage denses en énergie, abordables, et conservant une bonne capacité pendant de nombreux cycles, afin d’aider à la décarbonation des transports. A l’anode des systèmes Li-ion, le silicium (Si) est un bon candidat pour le remplacement du graphite commercial grâce à sa capacité 10 fois plus élevée. Les mécanismes de dégradation du Si empêchent le déploiement à grande échelle. L’objectif de ce travail est d’optimiser les caractéristiques des matériaux pour la réalisation d’anodes performantes. Deux voies d’optimisation sont suivies : la réduction de la taille des particules et le dépôt d’une couche de carbone en surface du Si. La technique de synthèse employée est la pyrolyse laser à double étage, une technique de synthèse souple qui permet d’optimiser facilement les conditions de la réaction. Une gamme de tailles de particules comprise entre 29 nm et 107 nm est obtenue et les particules de 53 nm présentent les meilleures performances. Des nanoparticules de morphologie cœur-coquille (Si@C) de 29 nm sont obtenues en une étape par le dépôt d’une coquille de carbone en surface à des quantités maximales de 19 m%. Le carbone permet une meilleure rétention de capacité puisque 81 % de la capacité est conservée au bout de 50 cycles pour Si@C, contre 72 % pour Si. Une étude fondamentale par SIE et XPS a permis d’identifier que la composition chimique plus organique de la couche d’interface de Si@C, comparé à Si, permet la meilleure rétention de capacité observée pour Si@C. Une autre stratégie de stabilisation consiste à créer des alliages SiGe pour tirer parti de la meilleure stabilité du germanium. Plusieurs compositions d’alliages ont été synthétisées par pyrolyse laser. Elles montrent toute la formation d’une structure de type SiGe@Si. Les capacités obtenues sont supérieures à l’état de l’art pour une composition d’alliage proche de Si₀,₅Ge₀,₅.

Performing energy storage devices need to be developed in the context of Energy transition. Such systems have to maintain high energy density during a large number of cycles, to meet the challenge of clean transportation. Silicon (Si) is a good candidate for Li-ion systems anodes’ with its capacity which is 10 times higher than commercial graphite. However, silicon degradation mechanisms impede wide commercial deployment. The objective of this work is to optimize characteristics of Si to obtain performing anodes. Two strategies are employed to achieve this goal: the size reduction of Si particles and the deposition of a carbon coating on the silicon surface. The synthesis technique in this work is double stage laser pyrolysis which allows the tunable synthesis of nanoparticles. A wide range of nanoparticles, with diameters from 29 nm to 107 nm, is obtained and the best trade-off on performance is obtained for 53 nm particles. Nanoparticles with core@shell morphology (Si@C), with 29 nm diameter are obtained in one-step, the carbon representing 19 % of the total mass. The carbon coating allows a better capacity retention as 81 % of the capacity is conserved for Si@C compared to 72 % of the capacity conserved for Si particles. A fundamental study by EIS and XPS enlightens the role of the more organic chemical composition of the interphase between the solid and the electrolyte for the stabilization of the Si@C particles. Another strategy for stabilization is the design of SiGe nanostructured alloys to take advantage of the germanium stability in anodes. Several alloy compositions have been synthetized by laser pyrolysis. All alloy composition exhibit an original SiGe@Si core-shell structure which may explain the better performance obtained, compared with the state of the art.; Un des enjeux de la transition énergétique est de disposer de systèmes de stockage denses en énergie, abordables, et conservant une bonne capacité pendant de nombreux cycles, afin d’aider à la décarbonation des transports. A l’anode des systèmes Li-ion, le silicium (Si) est un bon candidat pour le remplacement du graphite commercial grâce à sa capacité 10 fois plus élevée. Les mécanismes de dégradation du Si empêchent le déploiement à grande échelle. L’objectif de ce travail est d’optimiser les caractéristiques des matériaux pour la réalisation d’anodes performantes. Deux voies d’optimisation sont suivies : la réduction de la taille des particules et le dépôt d’une couche de carbone en surface du Si. La technique de synthèse employée est la pyrolyse laser à double étage, une technique de synthèse souple qui permet d’optimiser facilement les conditions de la réaction. Une gamme de tailles de particules comprise entre 29 nm et 107 nm est obtenue et les particules de 53 nm présentent les meilleures performances. Des nanoparticules de morphologie cœur-coquille (Si@C) de 29 nm sont obtenues en une étape par le dépôt d’une coquille de carbone en surface à des quantités maximales de 19 m%. Le carbone permet une meilleure rétention de capacité puisque 81 % de la capacité est conservée au bout de 50 cycles pour Si@C, contre 72 % pour Si. Une étude fondamentale par SIE et XPS a permis d’identifier que la composition chimique plus organique de la couche d’interface de Si@C, comparé à Si, permet la meilleure rétention de capacité observée pour Si@C. Une autre stratégie de stabilisation consiste à créer des alliages SiGe pour tirer parti de la meilleure stabilité du germanium. Plusieurs compositions d’alliages ont été synthétisées par pyrolyse laser. Elles montrent toute la formation d’une structure de type SiGe@Si. Les capacités obtenues sont supérieures à l’état de l’art pour une composition d’alliage proche de Si₀,₅Ge₀,₅.

International audience; La maitrise de l'épaisseur ou de la composition chimique de la SEI représente un enjeu majeur pour le fonctionnement à long-terme des batteries. Dans le cas d'anodes de silicium, nous proposons de protéger la surface vis-à-vis des solvants de l'électrolyte, par l'utilisation de nanoparticules Si@C de morphologie coeur-coquille synthétisées par pyrolyse-laser double étage. Les performances électrochimiques sont améliorées par le dépôt de la couche de carbone. Nous montrerons l'effet de la variation de l'épaisseur de la coquille de carbone sur la cyclabilité des électrodes. Des analyses operando par spectroscopie d'impédance électrochimique résolue en potentiel ont été menées afin de mesurer la résistance de la SEI. L'évolution de cette résistance peut être corrélée aux mécanismes de formation et à l'évolution des caractéristiques de la SEI. La comparaison des résistances pour les matériaux recouverts, ou non, de carbone démontre le rôle bénéfique que joue la coquille de carbone dans la stabilisation de la SEI.