Academic literature on the topic 'Oxydes lamellaires type O3'

La demande croissante de stockage d'énergie a stimulé des recherches extensives pour la chimie de batteries moins chers et plus durables, tels que le Na-ion. L'un des défis majeurs pour l'application pratique des batteries Na-ion est les performances insuffisantes de cathode, notamment en termes de densité d'énergie. Les oxydes lamellaires de sodium du type O3 sont prometteurs en termes de densité d'énergie, mais ils souffrent d'une cyclabilité insuffisante et d'une mauvaise stabilité à l'humidité. Dans ce contexte, cette thèse se concentre sur la synthèse et la caractérisation de cathodes avancées de type O3 fabriquées à partir de éléments à bas coût qui pourraient dépasser ces limites. Le système Na(Cu,Fe,Mn)O2 comprenant des centres redox à haute tension tels que Fe et Cu est systématiquement étudié, présentant une cyclabilité insatisfaisante qui se révèle provenir de processus d’oxydoréduction inhabituels et de processus structurels à des tensions élevées. Ensuite, la co-substitution de Cu et Ti dans le système NaNi0,5Mn0,5O2 est étudiée, montrant une cyclabilité et une stabilité à l'humidité améliorées. Les compositions optimales identifiées sont compétitives pour l'application, comme le démontre un prototype au format « 18650 ». Enfin, la possibilité d'utiliser l'oxygène comme centre redox pour une capacité élevée est examinée par l'exemple d'une phase O3-NaLi1/3Mn2/3O2 nouvellement obtenue, qui est également utilisée comme composé « modèle » pour approfondir notre connaissance du mécanisme fondamental du redox anionique
The increasing demand for energy storage has stimulated extensive research for cheaper and more sustainable battery chemistries, such as Na-ion. One of the major challenges of the practical application of Na-ion batteries is the insufficient performances of cathode materials, especially in terms of energy density. O3-type sodium layered oxides are promising in terms of energy density, but they suffer from insufficient cyclability and poor moisture stability. In this context, this thesis focuses on the synthesis and characterization of advanced O3-type cathodes made from cheap constitutions which could overcome these limits. First, the Na(Cu,Fe,Mn)O2 system comprising high-voltage redox centers such as Fe and Cu is systematically studied, exhibiting unsatisfactory cyclability which is revealed to originate from structural and unusual redox processes at high voltages. Next, the Cu and Ti co-substitution in NaNi0.5Mn0.5O2 system is investigated, showing improved cyclability and moisture stability. The optimal compositions are competitive for utility as demonstrated by a 18 650 prototype. Lastly, the possibility of using oxygen as redox center for high capacity is also examined by the example of a first achieved O3-NaLi1/3Mn2/3O2 phase, which is also used as a model compound to deepen our understanding of the fundamental anionic redox mechanism

Les matériaux d'électrode positive pour batteries lithium-ion : O3-LiNi0.30Co0.70O2 et O2-LiCoO2 (préparé par chimie- douce), ainsi que des matériaux obtenus après désintercalation électrochimique ont été caractérisés par DRX, RMN, mesures de conductivité électrique et de pouvoir thermoélectrique. Des processus redox complexes et/ou des changements structuraux interviennent lors de la désintercalation du lithium. Grâce à l'exploitation des interactions hyperfines, la RMN permet de caractériser l'environnement local du lithium dans ces phases: présence de défauts, distribution de cations praramagnétiques (nature et/ou degré d'oxydation), présence d'électrons localisés ou itinérants...et détudier les processus redox liés à la désintercalation du lithium. En parallèle, des calculs ab initio ont permis de mieux comprendre les propriétés structurales et physiques des matériaux étudiés.

NOUS AVONS ETUDIE LA RELATION ENTRE NANOSTRUCTURE ET TRANSITION DE PHASE FERRO-PARAELECTRIQUE, POUR LES MATERIAUX PbSc1/2Ta1/2O3(PST), PbSc1/2O3(PSN) ET LEUR SOLUTION SOLIDE (PSNT). DES IONS DIFFERENTS (SC,TA ET/OU NB) SUR LE SITE B DE LA STRUCTURE PEROVSKITE SONT A L'ORIGINE DE L'APPARITION DE SURSTRUCTURES DONT L'IMPORTANCE REND LA TRANSITION PLUS OU MOINS DIFFUSE. DES MONOCRISTAUX ONT ETE SYNTHETISES AFIN DE POUVOIR TRAVAILLER SUR DES PHASES PURES. ILS PRESENTENT PAR DIFFRACTION DES RAYONS-X A TEMPERATURE AMBIANTE UNE STRUCTURE MOYENNE CUBIQUE, MEME SI POUR PSN LES MESURES SONT EFFECTUEES EN PHASE FERROELECTRIQUE (Tc= 90°C). UNE SURSTRUCTURE DE TYPE {111} APPARAIT POUR PST ET PSNT, CONDUISANT A UN RESEAU F ALORS QUE LE RESEAU DE BASE EST P POUR PSN. PAR DIFFRACTION ELECTRONIQUE, LA SURSTRUCTURE {111} EST MISE EN EVIDENCE DANS LES TROIS COMPOSES ET DE NOUVELLES REFLEXIONS DE TYPE 110 SONT OBSERVEES, LES IONS Sc3+,TA5+ ET/OU Nb5+ ETANT DISTRIBUES REGULIEREMENT SUR LES PLANS {111} OU SUR LES PLANS {110}. LES IMAGES EN FOND NOIR MONTRENT UN ORDRE {111} A LONGUE DISTANCE, OCCUPANT LA QUASI-TOTALITE DES CRISTAUX POUR PST ET PSNT AVEC DES TAILLES DE DOMAINES ALLANT JUSQU'A 60NM ALORS QUE DANS PSN LEUR DIMENSION EST DE L'ORDRE DE 4nm. L'ETUDE DE LA TRANSITION DE PHASE PAR MESURES DIELECTRIQUES ET CALORIMETRIQUES MONTRE LA SUPERPOSITION DE DEUX ACCIDENTS. LES REGIONS ORDONNEES DE TYPE {111} TRANSITENT VERS UNE PHASE FERROELECTRIQUE ET SONT RESPONSABLES D'UN PIC DE PERMITTIVITE DIELECTRIQUE NON DIFFUS ET DE LA CHALEUR LATENTE OBSERVEE. LE VOLUME DESORDONNE PROVOQUE UN ACCIDENT PLUS DIFFUS DONT L'ORIGINE POURRAIT ETRE UN CHANGEMENT DE COMPORTEMENT DE NANOREGIONS POLAIRES, DEJA PRESENTES A PLUS HAUTE TEMPERATURE

La présence combinée de différents types de polluants dans les effluents industriels est une problématique assez complexe à résoudre pour les chercheurs dans le domaine de la protection de l'environnement. Dans ce contexte, le principal objectif de ce travail de thèse a été d'améliorer la compréhension des mécanismes de sorption à l'interface solide liquide, processus impliqués dans la rétention compétitive pour une sélection de colorants organiques et d'espèces inorganiques sur des matériaux adsorbants modèles. Ce manuscrit comprend une étude détaillée de l'adsorption combinant différentes approches et techniques expérimentales complémentaires, principalement à partir de mesures de cinétiques et d'isothermes d'adsorption, une étude structurale par diffraction des rayons X, et une approche thermodynamique par calorimétrie isotherme de titrage. Trois colorants azoïques: Méthyl Orange (MO), Orange II (OII) et Orange G (OG) ont été retenus pour ce travail. Ils ont la particularité de présenter différentes tailles de molécules, différentes charges et caractères hydrophile/ hydrophobe, … D'autre part, deux types de matériaux chargés positivement et considérés comme échangeurs anioniques ont été choisis comme solides adsorbants modèles : Mg-Al Hydroxyde Double Lamellaire (HDL) contenant dans son espace interfoliaire soit des contre-ions nitrate (Mg-Al-HDL-NO3) soit des chlorures (Mg-Al-HDL-Cl) et une résine échangeuses d'ions Amberlite® IRN-78. Enfin, l'impact des oxoanions comme les carbonates (IV), les sulfates (VI), les chromates (VI) et phosphates (V) sur les propriétés de rétention des colorants sur ces adsorbants a été évalué. Dans un premier temps, l'adsorption des colorants a été réalisée sur ces trois matériaux dans des systèmes mono-composant afin d'étudier en détail les mécanismes de rétention. L'étude des Mg-Al-HDL échangés par diffraction des rayons X a permis de montrer que l'échange d'anions est accompagné de l'intercalation dans l'espèce interfoliaire de la nouvelle espèce sorbée, générant des modifications structurales. En systèmes mono- et multi-composant, la rétention des MO semble supérieure à la capacité d'échange anionique (CEA) théorique des HDL. Ce comportement a été attribué à l'adsorption du colorant sur les surfaces externes, ainsi qu'à la co-adsorption des cations sodium, contre-ions du colorant. Il a aussi été montré que la capacité d'adsorption dépend fortement du caractère hydrophile-hydrophobe des colorants et de leur capacité à établir des interactions latérales (de pi-stacking) avec les autres espèces voisines directement au sein de l'espace interfoliaire. La calorimétrie de titrage isotherme a mis en évidence des comportements inhabituels dans les thermogrammes décrivant l'évolution de l'enthalpie cumulative de déplacement, en lien avec la formation d'agrégats fibrillaires provenant de l'interaction entre l'OII et les espèces Mg(II), issues de la dissolution partielle des HDL au contact du colorant.Dans un second temps, l'étude de la compétition entre les colorants organiques et des anions inorganiques sur ces matériaux a démontré que l'élimination de colorant est fortement influencée par la présence d'anions phosphate ainsi que d'anions carbonate. L'analyse détaillée des différentes espèces compétitives a permis de proposer une classification sur la base de trois types de schémas de compétitions, en lien avec la forme des isothermes individuelles et les données calorimétriques, comme l'enthalpie cumulative en système mono-composant. L'ensemble de cette description des mécanismes de rétention dans des systèmes mono- ou multi-composants a été complété par des études plus applicatives comme les phénomènes de cinétiques de sorption, de réversibilité. Mots-clés: Hydroxydes double lamellaires, résines échangeuses d'ions, Méthyl Orange, Orange II, Orange G, Cr(VI), anions inorganiques, adsorption en système mono- ou multi-composant, étude structurale par DRX, calorimétrie isotherme de titrage
The co-occurrence of various pollutants in industrial effluents is one of the most difficult problems the researchers have to face in the field of Environmental Remediation. In this context, the main objective of the present Ph.D. thesis has been to improve the comprehension of the sorption mechanisms involved in the competitive retention of selected organic dyes and inorganic species at the Solid-Liquid interface by using some model sorbents.The manuscript reports the results of advanced sorption studies made by combining several experimental techniques, mainly including kinetic and equilibrium adsorption measurements, XRD diffraction, as well as isothermal titration calorimetry. Three Azo dyes differing in the molecular size, electric charge, and hydrophobic/hydrophilic character, i.e., Methyl Orange (MO), Orange II (OII), and Orange G (OG), were selected for the purpose of this work. Two types of solid materials possessing positively charged surface sites were considered as model sorbents: layered double hydroxide structures based on Mg and Al (molar Mg:Al ratio of 2) with either nitrate (Mg-Al-LDH-NO3) or chloride counter-ions (Mg-Al-LDH-Cl) localized in the interlayer space, on the one hand, and strongly basic anion-exchange resin, Amberlite® IRN-78, on the other hand. The impact of carbonate(IV), sulfate(VI), chromate(VI), and hydrogen phosphate(V) oxyanions on the retention capacity of model sorbents towards the three dyes was also investigated thoroughly.In the first step, the single-component adsorption onto three sorbents was analyzed in regards with the detailed mechanism of retention. In all cases, an ion-exchange pathway between the pristine compensating anions (NO3-, Cl-, OH-) or anions coming from the ambient atmosphere (e.g., carbonates) and the oncoming anionic species was identified as the principal retention mechanism. In the case of LDH sorbents, this anion exchange was accompanied by the intercalation of the adsorbing species within the interlayer space with the concomitant changes in the layered structure, as inferred from the XRD study of the LDH samples loaded with the appropriate solute species. The retention of monovalent MO anions, both from the single-solute and bi-solute solutions, was found to exceed the anionic exchange capacity (AEC) of the LDH samples, which was ascribed to the dye adsorption on the external surface paralleled by the co-adsorption of sodium cations. The adsorption capacity was demonstrated to depend strongly on the hydrophilic-hydrophilic character of the dye units and their capacity of generating lateral interactions (e.g., pi-stacking) with other adsorbed species within the LDH structure. The use of isothermal calorimetry allowed the unusual shape of the curve representing the cumulative enthalpy of displacement to be attributed to the formation of OII aggregates/fibers induced by the presence of Mg and Al cations originating from the partial dissolution of the LDH sample. Competitive adsorption of dye and selected inorganic anions on the three model sorbents was studied in the second step in view of increasing the efficiency of dyes removal by optimizing experimental conditions. One of the main achievements was to categorize the dye uptake schemes in the presence of inorganic anions in regards with the shape of the experimental adsorption isotherms and to correlate them with the individual adsorbate affinities for the LDH sample, as inferred from the calorimetry measurements of the cumulative enthalpy of displacement in single-solute systems. The discussion on the mechanisms of dye retention in the single- and multi-component systems was supplemented by experimental studies of such applicative aspects of sorption phenomena as kinetics, reversibility, and selectivity.Keywords: Layered double hydroxides, anion-exchange resin, Methyl Orange, Orange II, Orange G, Cr(VI), inorganic anions, single-solute and multi-solute adsorption, XRD study, isotherm titration calorimetry

Deux approches ont été considérées pour l'optimisation de matériaux lamellaires d'électrode positive pour batteries lithium-ion de type Li1+x(Ni1/2-yMn1/2-yCo2y)1-xO2 : la modification de surface (coating) et la substitution partielle. Dans un premier temps, nous avons montré que la substitution anionique du fluor à l'oxygène n'était pas effective contrairement aux hypothèses proposées dans la littérature par certains auteurs, mais qu'en réalité une couche de LiF était formée à la surface de ces matériaux, quelle que soit la voie de synthèse utilisée. Ces matériaux "coatés" présentent néanmoins une cyclabilité améliorée en batterie au lithium. Leurs propriétés structurales et physico-chimiques ont été caractérisées en combinant notamment la diffraction des rayons X, la spectroscopie RMN MAS du 7Li et du 19F et la spectroscopie d'électrons Auger. Dans un second temps, nous avons étudié l'effet de la substitution de l'aluminium (électrochimiquement inerte) au cobalt au sein de ces matériaux lamellaires riches en nickel et en manganèse. Les conditions de synthèse ont été optimisées et un matériau intéressant a ainsi été proposé. La structure, et plus particulièrement la distribution cationique, ont été déterminées par des analyses chimiques, par diffraction des rayons X et par des mesures magnétiques : la substitution de l'aluminium au cobalt entraîne une surlithiation moindre, un taux d'échange Li+ / Ni2+ plus important et par conséquent une diminution du caractère bidimensionnel de la structure. Ces matériaux présentent une bonne cyclabilité même à des régimes élevés et une stabilité thermique améliorée à l'état désintercalé.

Deux approches ont été considérées pour l’optimisation de matériaux lamellaires d’électrode positive pour batteries lithium-ion de type Li1+x(Ni1/2-yMn1/2-yCo2y)1-xO2 : la modification de surface (coating) et la substitution partielle. Dans un premier temps, nous avons montré que la substitution anionique du fluor à l’oxygène n’était pas effective contrairement aux hypothèses proposées dans la littérature par certains auteurs, mais qu’en réalité une couche de LiF était formée à la surface de ces matériaux, quelle que soit la voie de synthèse utilisée. Ces matériaux "coatés" présentent néanmoins une cyclabilité améliorée en batterie au lithium. Leurs propriétés structurales et physico-chimiques ont été caractérisées en combinant notamment la diffraction des rayons X, la spectroscopie RMN MAS du 7Li et du 19F et la spectroscopie d’électrons Auger. Dans un second temps, nous avons étudié l’effet de la substitution de l’aluminium (électrochimiquement inerte) au cobalt au sein de ces matériaux lamellaires riches en nickel et en manganèse. Les conditions de synthèse ont été optimisées et un matériau intéressant a ainsi été proposé. La structure, et plus particulièrement la distribution cationique, ont été déterminées par des analyses chimiques, par diffraction des rayons X et par des mesures magnétiques : la substitution de l’aluminium au cobalt entraîne une surlithiation moindre, un taux d’échange Li+ / Ni2+ plus important et par conséquent une diminution du caractère bidimensionnel de la structure. Ces matériaux présentent une bonne cyclabilité même à des régimes élevés et une stabilité thermique améliorée à l’état désintercalé
Two approaches were considered for the optimization of Li1+x(Ni1/2-yMn1/2-yCo2y)1-xO2 positive electrode materials for lithium-ion batteries : the surface modification (coating) and partial substitution. First, we showed that fluorine substitution for oxygen is not effective, on the contrary to the hypotheses proposed in literature by others authors: in fact a thin LiF layer is formed at the surface of these materials irrespective of the synthesis route. These "coated" materials show a better cyclability. Their structural and physicochemical properties were characterized mainly by X-ray diffraction, 7Li and 19F MAS NMR spectroscopy and Auger electron spectroscopy. Secondly, we studied the effect of aluminum (electrochemically inert) substitution for cobalt within these layered materials rich in nickel and manganese. The synthesis conditions were optimized and an interesting material was thus proposed. The structure and cationic distribution were determined by chemical analyses, X-ray diffraction, magnetic measurements: aluminum substitution leads to a lower overlithiation, to a larger exchange Li+ / Ni2+ ratio and thus to a decreasing bidimensional character for the structure. These materials show a good cyclability even at high rates and an improved thermal stability in the deintercalated state

Ce chapitre décrit les travaux menés par Faradion pour aboutir à la production de plusieurs prototypes de démonstration basés sur l'utilisation de cellules Na-ion de grand format de type pouch-cell, et notamment la production de quantités importantes de matériaux actifs, d'électrolytes et d'électrodes optimisés. Ces cellules utilisent des oxydes lamellaires sodés à l’électrode positive.