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15 results on '"Desrues, Antoine"'

2. Influence of the Ge content on the lithiation process of crystalline Si1−xGex nanoparticle-based anodes for Li-ion batteries.

Author

Zapata Dominguez, Diana, Berhaut, Christopher L., Kumar, Praveen, Jouneau, Pierre-Henri, Desrues, Antoine, Herlin-Boime, Nathalie, Boudet, Nathalie, Blanc, Nils, Chahine, Gilbert A., Haon, Cédric, Tardif, Samuel, Lyonnard, Sandrine, and Pouget, Stéphanie

Abstract

In the quest for high-capacity Li-ion batteries, moving from classical intercalation reactions such as those occurring at graphite-based electrodes to alloying reactions is a promising alternative. Among active materials which form alloys upon lithiation, silicon is a good candidate thanks to its high theoretical capacity, although it shows limited cyclability due to significant aging effects. In comparison, germanium presents improved Li-ion conduction and mechanical properties. Mixing silicon and germanium, as in Si1−xGex alloys, is an attractive strategy for combining the best advantages of both elements. In this study, we report a combined operando X-ray diffraction (XRD) and electrochemical investigation of the influence of the germanium content on the (de)lithiation processes in crystalline Si1−xGex nanoparticle-based anodes during the first charge/discharge cycle. The alloyed particles, which show pronounced heterogeneities in composition, evidence a sequential amorphization of the different c-Si1−xGex phases depending on their Ge content, where the lithiation potential decreases upon increasing the silicon content, following Vegard's law-type of behavior. Operando XRD and galvanostatic cycling investigation of the highly lithiated crystalline phase Li15(Si1−xGex)4 evidence a narrow domain of existence with a composition close to x = 1. This study brings essential knowledge on the (de)lithiation mechanisms at play in Si1−xGex alloys, which is critical for mastering these promising materials that combine the best properties of silicon and germanium, with the possibility to tune their composition to tailor (de)lithiation properties and trade off performance and cycle life. [ABSTRACT FROM AUTHOR]

Published
2023
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4. (De)Lithiation and Strain Mechanism in Crystalline Ge Nanoparticles

Author

Zapata Dominguez, Diana, primary, Berhaut, Christopher L., additional, Buzlukov, Anton, additional, Bardet, Michel, additional, Kumar, Praveen, additional, Jouneau, Pierre-Henri, additional, Desrues, Antoine, additional, Soloy, Adrien, additional, Haon, Cédric, additional, Herlin-Boime, Nathalie, additional, Tardif, Samuel, additional, Lyonnard, Sandrine, additional, and Pouget, Stéphanie, additional

Published
2022
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6. Cover Feature: Best Performing SiGe/Si Core‐Shell Nanoparticles Synthesized in One Step for High Capacity Anodes (Batteries & Supercaps 12/2019)

Author

Desrues, Antoine, primary, Alper, John P., additional, Boismain, Florent, additional, Zapata Dominguez, Diana, additional, Berhaut, Christopher, additional, Coulon, Pierre‐Eugène, additional, Soloy, Adrien, additional, Grisch, Frédéric, additional, Tardif, Samuel, additional, Pouget, Stéphanie, additional, Lyonnard, Sandrine, additional, Haon, Cédric, additional, and Herlin‐Boime, Nathalie, additional

Published
2019
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7. Matériaux composites Si@C nanostructurés pour anodes de batterie Li-ion à haute densité d’énergie. Relations entre structure/morphologie et mécanismes de dégradation

Author

Desrues, Antoine, Nanosciences et Innovation pour les Matériaux, la Biomédecine et l'Energie (ex SIS2M) (NIMBE UMR 3685), Institut Rayonnement Matière de Saclay (IRAMIS), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Chimie du CNRS (INC), Institut de Chimie Moléculaire et des Matériaux d'Orsay (ICMMO), Université Paris-Sud - Paris 11 (UP11)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Chimie du CNRS (INC), CEA-DRT/LITEN/DEHT/STB, Université Paris Saclay (COmUE), Nathalie Herlin-Boime, Sylvain Franger, Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), and Université Paris-Sud - Paris 11 (UP11)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)

Subjects
Batteries, Laser pyrolysis, Nanoparticules cœur-coquille, Core-shell nanoparticles, Pyrolyse laser, Impedance spectroscopy, [CHIM.MATE]Chemical Sciences/Material chemistry, Spectroscopie d'impédance
Abstract

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.

Published
2019

8. Composite Si@C nanostructured materials for high energy density Li-ion batteries. Relationship between structure/morphology and degradation mechanisms

Author

Desrues, Antoine, Nanosciences et Innovation pour les Matériaux, la Biomédecine et l'Energie (ex SIS2M) (NIMBE UMR 3685), Institut Rayonnement Matière de Saclay (IRAMIS), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Chimie du CNRS (INC), Institut de Chimie Moléculaire et des Matériaux d'Orsay (ICMMO), Université Paris-Sud - Paris 11 (UP11)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Chimie du CNRS (INC), CEA-DRT/LITEN/DEHT/STB, Université Paris Saclay (COmUE), Nathalie Herlin-Boime, and Sylvain Franger

Subjects
Batteries, Laser pyrolysis, Nanoparticules cœur-coquille, Core-shell nanoparticles, Pyrolyse laser, Impedance spectroscopy, [CHIM.MATE]Chemical Sciences/Material chemistry, Spectroscopie d'impédance
Abstract

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.

Published
2019

9. Nanoparticules Si@C pour les anodes : suivi de l'évolution de l'interface électrode/électrolyte par spectroscopie d'impédance électrochimique

Author

Desrues, Antoine, Alper, John, Boismain, Florent, Haon, Cédric, Franger, Sylvain, Herlin-Boime, Nathalie, Laboratoire Edifices Nanométriques (LEDNA), Nanosciences et Innovation pour les Matériaux, la Biomédecine et l'Energie (ex SIS2M) (NIMBE UMR 3685), Institut Rayonnement Matière de Saclay (IRAMIS), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Institut Rayonnement Matière de Saclay (IRAMIS), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Chimie du CNRS (INC), Institut de Chimie Moléculaire et des Matériaux d'Orsay (ICMMO), Université Paris-Sud - Paris 11 (UP11)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Chimie du CNRS (INC), Laboratoire d'Innovation pour les Technologies des Energies Nouvelles et les nanomatériaux (LITEN), Institut National de L'Energie Solaire (INES), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Savoie Mont Blanc (USMB [Université de Savoie] [Université de Chambéry])-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Savoie Mont Blanc (USMB [Université de Savoie] [Université de Chambéry])-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut Rayonnement Matière de Saclay (IRAMIS), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université Paris-Sud - Paris 11 (UP11)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), and Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Savoie Mont Blanc (USMB [Université de Savoie] [Université de Chambéry])-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Savoie Mont Blanc (USMB [Université de Savoie] [Université de Chambéry])-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)

Subjects
[CHIM.MATE]Chemical Sciences/Material chemistry
Abstract

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.

Published
2019

10. Laser pyrolysis synthesis of nanoparticles for energy applications

Author

Desrues, Antoine, Belchi, Raphaëlle, Alper, J.-P., Boismain, Florent, Boulineau, Adrien, Coulon, P.-E., Porterat, Dominique, Habert, A., Haon, C., Bouclé, Johann, Ratier, Bernard, Franger, Sylvain, Herlin-Boime, Nathalie, Laboratoire Edifices Nanométriques (LEDNA), Nanosciences et Innovation pour les Matériaux, la Biomédecine et l'Energie (ex SIS2M) (NIMBE UMR 3685), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut Rayonnement Matière de Saclay (IRAMIS), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut Rayonnement Matière de Saclay (IRAMIS), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay, Institut Rayonnement Matière de Saclay (IRAMIS), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay, Laboratoire d'Innovation pour les Technologies des Energies Nouvelles et les nanomatériaux (LITEN), Institut National de L'Energie Solaire (INES), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Savoie Mont Blanc (USMB [Université de Savoie] [Université de Chambéry])-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Savoie Mont Blanc (USMB [Université de Savoie] [Université de Chambéry])-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), RF-ELITE : RF-Electronique Imprimée pour les Télécommunications et l'Energie (XLIM-RFEI), XLIM (XLIM), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Limoges (UNILIM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Limoges (UNILIM), Institut de Chimie Moléculaire et des Matériaux d'Orsay (ICMMO), and Université Paris-Sud - Paris 11 (UP11)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)

Subjects
[PHYS.PHYS.PHYS-OPTICS]Physics [physics]/Physics [physics]/Optics [physics.optics], [PHYS.COND.CM-MS]Physics [physics]/Condensed Matter [cond-mat]/Materials Science [cond-mat.mtrl-sci], [SPI.NANO]Engineering Sciences [physics]/Micro and nanotechnologies/Microelectronics, ComputingMilieux_MISCELLANEOUS
Abstract

International audience

Published
2019

11. Core@shell silicon-carbon nanoparticles with a tunable shell thickness: performances as battery anodes

Author

Desrues, Antoine, Alper, John, Boismain, Florent, Haon, Cédric, Franger, Sylvain, Herlin-Boime, Nathalie, Laboratoire Edifices Nanométriques (LEDNA), Nanosciences et Innovation pour les Matériaux, la Biomédecine et l'Energie (ex SIS2M) (NIMBE UMR 3685), Institut Rayonnement Matière de Saclay (IRAMIS), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Institut Rayonnement Matière de Saclay (IRAMIS), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Chimie du CNRS (INC), Laboratoire d'Innovation pour les Technologies des Energies Nouvelles et les nanomatériaux (LITEN), Institut National de L'Energie Solaire (INES), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Savoie Mont Blanc (USMB [Université de Savoie] [Université de Chambéry])-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Savoie Mont Blanc (USMB [Université de Savoie] [Université de Chambéry])-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), Institut de Chimie Moléculaire et des Matériaux d'Orsay (ICMMO), Université Paris-Sud - Paris 11 (UP11)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Chimie du CNRS (INC), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut Rayonnement Matière de Saclay (IRAMIS), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Savoie Mont Blanc (USMB [Université de Savoie] [Université de Chambéry])-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Savoie Mont Blanc (USMB [Université de Savoie] [Université de Chambéry])-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), and Université Paris-Sud - Paris 11 (UP11)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)

Subjects
[CHIM.MATE]Chemical Sciences/Material chemistry
Abstract

International audience; Symposium: Battery and energy storage devices Nanometric silicon appears as an interesting candidate to improve the capacity of lithium-ion batteries anodes because its theoretical specific capacity is over 10 times that of CUITent commercial graphite electrodes. A major issue with nanosilicon anodes is the continuous formation of solid electrolyte interphase (SEI) due to the significant volume changes in the material during lithiation-delithiation. Coating the silicon surface with carbon has proved to protect it, as a more stable SEI is obtained. For this purpose, we synthesize core@shell silicon-carbon nanoparticles by a using a double-stage laser pyrolysis reactor. This gas-phase technique allows one-step synthesis of a silicon core coated by a carbon shell. The size and the size distribution, as well as the shell's thickness, can be controlled by the modification ofparameters. This wall-1ess process leads to clean interfaces. In this work the synthesis of carbon coated crystalline nanosilicon (30 nm) with various carbon contents, up to 20 % w/w, will be presented. These Si@C particles present a clear silicon-carbon interface as shown by STEM-EELS. The ga1vanostatic performance comparison indicates that the coulombic efficiency is improved by a greater carbon content and power rate experiments indicate that an optimum exists. Finally, by using electrochemical impedancespectroscopy (EIS), a comparison of SEI resistances for coated and non-coated parti cl es will be presented.

Published
2018

12. Best Performing SiGe/Si Core‐Shell Nanoparticles Synthesized in One Step for High Capacity Anodes

Author

Desrues, Antoine, primary, Alper, John P., additional, Boismain, Florent, additional, Zapata Dominguez, Diana, additional, Berhaut, Christopher, additional, Coulon, Pierre‐Eugène, additional, Soloy, Adrien, additional, Grisch, Frédéric, additional, Tardif, Samuel, additional, Pouget, Stéphanie, additional, Lyonnard, Sandrine, additional, Haon, Cédric, additional, and Herlin‐Boime, Nathalie, additional

Published
2019
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13. Electrode/electrolyte interphase evolution for next generation Li-ion batteries anodes

Author

Desrues, Antoine, Alper, John P., Boismain, Florent, Haon, Cédric, Franger, Sylvain, Herlin-Boime, Nathalie, Laboratoire Edifices Nanométriques (LEDNA), Nanosciences et Innovation pour les Matériaux, la Biomédecine et l'Energie (ex SIS2M) (NIMBE UMR 3685), Institut Rayonnement Matière de Saclay (IRAMIS), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Institut Rayonnement Matière de Saclay (IRAMIS), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Chimie du CNRS (INC), Laboratoire d'Innovation pour les Technologies des Energies Nouvelles et les nanomatériaux (LITEN), Institut National de L'Energie Solaire (INES), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Savoie Mont Blanc (USMB [Université de Savoie] [Université de Chambéry])-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Savoie Mont Blanc (USMB [Université de Savoie] [Université de Chambéry])-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Institut de Chimie Moléculaire et des Matériaux d'Orsay (ICMMO), Université Paris-Sud - Paris 11 (UP11)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Chimie du CNRS (INC), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut Rayonnement Matière de Saclay (IRAMIS), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), and Université Paris-Sud - Paris 11 (UP11)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)

Subjects
[CHIM.MATE]Chemical Sciences/Material chemistry
Abstract

International audience; Performant electrochemical storage devices appear as one of the solution to face the challenge of energy transition. In this context, lithium-ion batteries are a well-developed technology 1. This work is focused on increasing the negative electrode's capacity by understanding the degradation mechanism occurring in the material. Graphitic carbon is commonly used as a negative electrode in commercial battery systems because of its stability, electronic conductivity, and its natural abundance. However, its maximum energy density remains too low to meet the requirements of demanding applications such as electric vehicles. Silicon is a promising alternative anode material to increase its capacity up to 3579 mAh/g, ten times higher than the 350 mAh/g of graphite 2. However, fractures issues occur in the material, due the high volumetric change over cycling. Using nanoparticles has been shown to alleviate the problem 3 but at this size, the formation of an interphase between the electrolyte and the solid (named SEI) becomes predominant. This SEI stability is fundamental to obtain stable performance of silicon electrodes. The coating of the silicon surface by carbon has proved to protect the bare silicon surface and obtain a more stable SEI 4. The integration of such nanoparticles in Li-ion anodes improves the electrodes' specific capacities. Those particles are synthetized by laser pyrolysis, a one step process. Impedance spectroscopy, a powerful and non-destructive technique, is used to probe the electrode's interfaces. In this paper, using this technique, an improved stability of carbon coated silicon particles will be demonstrated by comparison to pure silicon.

Published
2017

14. Silicon core - carbon shell nanoparticles for Li-ion batteries anodes. Relationship between morphology and degradation mechanism studied by Impedance spectroscopy

Author

Desrues, Antoine, Alper, John, Boismain, Florent, Foy, Eddy, Franger, Sylvain, Haon, Cédric, Herlin-Boime, Nathalie, Laboratoire Edifices Nanométriques (LEDNA), Nanosciences et Innovation pour les Matériaux, la Biomédecine et l'Energie (ex SIS2M) (NIMBE UMR 3685), Institut Rayonnement Matière de Saclay (IRAMIS), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Institut Rayonnement Matière de Saclay (IRAMIS), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Chimie du CNRS (INC), Laboratoire Archéomatériaux et Prévision de l'Altération (LAPA - UMR 3685), IRAMAT - Laboratoire Métallurgies et Cultures (IRAMAT - LMC), Institut de Recherches sur les Archéomatériaux (IRAMAT), Université d'Orléans (UO)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bordeaux Montaigne-Université de Technologie de Belfort-Montbeliard (UTBM)-Université d'Orléans (UO)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bordeaux Montaigne-Université de Technologie de Belfort-Montbeliard (UTBM), Institut de Chimie Moléculaire et des Matériaux d'Orsay (ICMMO), Université Paris-Sud - Paris 11 (UP11)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Chimie du CNRS (INC), Laboratoire d'Innovation pour les Technologies des Energies Nouvelles et les nanomatériaux (LITEN), Institut National de L'Energie Solaire (INES), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Savoie Mont Blanc (USMB [Université de Savoie] [Université de Chambéry])-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Savoie Mont Blanc (USMB [Université de Savoie] [Université de Chambéry])-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut Rayonnement Matière de Saclay (IRAMIS), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université de Technologie de Belfort-Montbeliard (UTBM)-Université d'Orléans (UO)-Université Bordeaux Montaigne (UBM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Technologie de Belfort-Montbeliard (UTBM)-Université d'Orléans (UO)-Université Bordeaux Montaigne (UBM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université Paris-Sud - Paris 11 (UP11)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), and Université de Technologie de Belfort-Montbeliard (UTBM)-Université d'Orléans (UO)-Université Bordeaux Montaigne-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Technologie de Belfort-Montbeliard (UTBM)-Université d'Orléans (UO)-Université Bordeaux Montaigne-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)

Subjects
[CHIM.MATE]Chemical Sciences/Material chemistry
Abstract

International audience; Performant electrochemical storage devices appear as one of the solution to face the challenge of energy transition and development of carbon-less energy processes. In this context, lithium-ion batteries are a well-developed technology because of their lllgh energy density, their long life over cycling and their large field of applications, from microbatteries to stationary storage.

Published
2017

15. Double stage laser pyrolysis synthesis applied to silicon-carbon core-shell nanoparticles

Author

Boismain, Florent, Alper, John, Desrues, Antoine, Sublemontier, Olivier, Haon, Cédric, Herlin-Boime, Nathalie, Palacin, Serge, Laboratoire Edifices Nanométriques (LEDNA), Nanosciences et Innovation pour les Matériaux, la Biomédecine et l'Energie (ex SIS2M) (NIMBE UMR 3685), Institut Rayonnement Matière de Saclay (IRAMIS), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Institut Rayonnement Matière de Saclay (IRAMIS), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Chimie du CNRS (INC), Laboratoire d'Innovation pour les Technologies des Energies Nouvelles et les nanomatériaux (LITEN), Institut National de L'Energie Solaire (INES), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Savoie Mont Blanc (USMB [Université de Savoie] [Université de Chambéry])-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Savoie Mont Blanc (USMB [Université de Savoie] [Université de Chambéry])-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut Rayonnement Matière de Saclay (IRAMIS), and Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)

Subjects
[CHIM.MATE] Chemical Sciences/Material chemistry, [CHIM.MATE]Chemical Sciences/Material chemistry
Abstract

International audience; Synthesis routes permitting the preparation of complex structures such as core@shell nanoparticles are of interest for the particles unique physical and chemical properties. We demonstrate here a versatile laser pyrolysis method for the one step synthesis of Si@C nanoparticles. These nanoparticles are synthesized in a double stage reactor developed with the help of flow simulation. Using the laser pyrolysis method, we demonstrate production rate of 10 g/h under stable condition for over 5 hours. In the first reaction zone,the precursor gas of silicon, the silane (SiH$_4$), absorbs the CO$_2$ laser and is decomposed to form silicon nanoparticles. In the second stage the carbon precursor gas, ethylene (C$_2$H$_4$), mixed with the silicon nanoparticles through a novel radial injection, is decomposed via laser excitation and the carbon is deposited on the silicon cores while avoiding homogeneous nucleation of carbon nanoparticles. The size and the crystallinity of the silicon cores are controlled with the time of interaction and power of the laser beam while the carbon content is controlled by the ethylene flow rate. Other gases were also be added for doping or alloying of the silicon core (for example germane to achieve SiGe alloy cores or ammonia to dope the carbon shell). These core-shell nanoparticles (Si@C) were tested as active materials for anodes of Li-Ion batteries. Compared to the commonly used graphite electrode, the capacity is significantly higher (therotecal values 3579 mAh/g vs 372 mAh/g) while the stability is improved in comparison with an electrode elaborated from pure silicon (500 cycles vs 50 cycles).

Published
2017

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Books, media, physical & digital resources
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