CA2288937A1 - Materiau d'electrode positive a base d'oxysulfure de titane pour generateur electrochimique et son procede de preparation - Google Patents

Materiau d'electrode positive a base d'oxysulfure de titane pour generateur electrochimique et son procede de preparation Download PDF

Info

Publication number
CA2288937A1
CA2288937A1 CA002288937A CA2288937A CA2288937A1 CA 2288937 A1 CA2288937 A1 CA 2288937A1 CA 002288937 A CA002288937 A CA 002288937A CA 2288937 A CA2288937 A CA 2288937A CA 2288937 A1 CA2288937 A1 CA 2288937A1
Authority
CA
Canada
Prior art keywords
layer
generator
positive electrode
lithium
substrate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Abandoned
Application number
CA002288937A
Other languages
English (en)
Inventor
Georges Meunier
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Publication of CA2288937A1 publication Critical patent/CA2288937A1/fr
Abandoned legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/58Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy; of polyanionic structures, e.g. phosphates, silicates or borates
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/139Processes of manufacture
    • H01M4/1397Processes of manufacture of electrodes based on inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/056Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
    • H01M10/0561Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes the electrolyte being constituted of inorganic materials only
    • H01M10/0562Solid materials
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/04Processes of manufacture in general
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/38Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys
    • H01M4/381Alkaline or alkaline earth metals elements
    • H01M4/382Lithium
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/58Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy; of polyanionic structures, e.g. phosphates, silicates or borates
    • H01M4/581Chalcogenides or intercalation compounds thereof
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/026Electrodes composed of, or comprising, active material characterised by the polarity
    • H01M2004/028Positive electrodes
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10TTECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00Metal working
    • Y10T29/49Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49002Electrical device making
    • Y10T29/49108Electric battery cell making

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Electrodes For Compound Or Non-Metal Manufacture (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
  • Conductive Materials (AREA)

Abstract

L'invention concerne un matériau d'électrode positive à base d'oxysulfure de titane pour générateur électrochimique et son procédé de préparation. Cet oxysulfure répond à la formule TiOaS3+b dans laquelle a et b sont tels que: 0 < a 0,5; 0 < b 0,7. Ce matériau peut être obtenu par pulvérisation cathodique radiofréquence à partir d'une cible de TiS3, et être utilisé comme cathode dans un générateur électrochimique comportant une anode 9 en lithium et un électrolyte 7 en verre de composition: 1B203-0,8Li2O-0,8Li2SO4.

Description

MATERIAU D'ELECTRODE POSITIVE A BASE D'OXYSULFURE DE
TITANE POUR GENERATEUR ELECTROCHIMIQUE ET SON PROCEDE
DE PREPARATION
DESCRIPTION
Domaine technique La présente invention a pour objet un matériau à base d'oxysulfure de titane, utilisable en particulier comme électrode positive dans un générateur électrochimique ou une cellule électrochrome.
De façon plus précise, elle concerne la réalisation de générateurs électrochimiques ou de cellules électrochromes, en particulier en couches minces, dont le principe de fonctionnement est basé sur l'insertion et la désinsertion (intercalation-désintercalation) d'ions de métal alcalin ou de protons dans l'électrode positive.
Des générateurs électrochimiques de ce type peuvent trouver de nombreuses applications, par exemple sous la forme de microgénérateurs ayant une épaisseur totale de quelques um, dans des systèmes pour sauvegarder les mémoires de micro-systèmes lors de coupures de courant ou comme systèmes intégrés dans des cartes à mémoire du type des cartes bancaires.
Ces générateurs peuvent aussi être utilisés comme système électrochrome lorsque l'électrode positive change de couleur au cours de l'insertion, ce qui les rend intéressants pour l'affichage d'informations ou mieux encore lorsque l'électrode négative est transparente, pour des vitrages changeant de couleur selon les besoins.
Etat de la technique antérieure
2 Des générateurs électrochimiques de ce type utilisant un chalcogénure ou oxychalcogénure de titane comme électrode positive, sont décrits en particulier dans le document WO-A-90/05387. Dans ce document, le matériau d'électrode positive est constitué d'une couche de composé répondant à la formule .
Ti.OaXb dans laquelle X représente un atome de soufre, de sélénium ou de tellure, et a et b sont tels que a est au plus égal à 2, b est au plus égal à 3 et (a + b) est dans l'intervalle allant de 2 à 3.
La couche est préparée par pulvérisation cathodique de type magnétron, à partir d'une cible de disulfure de titane TiS2 contenant 5 ~ en atome d'oxygène.
Ce matériau d'électrode présente des propriétés 2o électrochimiques intéressantes mais son dépôt par pulvérisation cathodique, sous la forme de couche mince, présente l'inconvénient de nécessiter la fabrication de cibles de TiS2 à partir de poudres commerciales de TiS~ qui contiennent toujours quelques pourcents d'oxygène. Or, en raison de la structure lamellaire de TiS2, la poudre se compacte assez facilement mais le frittage est délicat car il y a départ de soufre quelle que soit la température utilisée. De ce fait, lors de la pulvérisation cathodique, on doit limiter la puissance appliquée sur la cible de sulfure de titane à une valeur inférieure à
2 Watts/cmz sous peine de voir la cible se cliver suivant l'épaisseur.
3 Par ailleurs, bien que les performances d'un générateur électrochimique utilisant ce matériau d'électrode sous la forme de couche mince soient satisfaisantes, il serait intéressant d'améliorer encore ces performances, en particulier la capacité
massique du générateur. Des recherches ont donc été
entreprises pour obtenir des matériaux d'électrodes du même type dans de meilleures conditions et augmenter de plus les performances du générateur électrochimique lo utilisant de telles électrodes.
Le document US-A-4 508 608 décrit un procédé de préparation d'une cathode à base de chalcogénure de haute porosité, par pulvérisation cathodique de molécules d'un chalcogénure de métal de transition sur et dans un substrat collecteur de courant de haute porosité. Le chalcogénure peut être en particulier un sulfure de titane tel que le disulfure ou trisulfure de titane.
L'énergie massique du trisulfure de titane (840 Wh/kg) est très élevée par rapport à celle du disulfure de titane (485 Wh/kg) mais l'emploi de TiS3 pose certains problèmes car l'intercalation de lithium n'est que faiblement réversible dans TiS3.
La présente invention a précisément pour objet un matériau d'électrode positive à base d'oxysulfure de titane qui pallie ces inconvénients et qui conduit à
une amélioration notable de la performance du microgénérateur, en présentant de plus l'avantage de convenir à la fabrication d'électrodes en couches minces à l'échelle industrielle.
Exposé de l'invention
4 Selon l'invention, le matériau d'électrode positive pour générateur électrochimique est constitué
d'une couche mince d'un composé amorphe de formule .
J Ti0aS3+b dans laquelle a et b sont tels que .
0 < a <_ 0,5 0 < b <_ 0,7.
Selon l'invention, grâce au choix d'un matériau d' électrode du type Ti0aS3 + b qui peut être déposé par pulvérisation cathodique, on obtient une couche de is matériau isotrope et amorphe de densité beaucoup plus faible que celle du TiS3 massif, qui résiste très bien de ce fait à l'insertion et à la désinsertion d'ions de métal alcalin ou de protons. En effet, cette faible densité correspond à une structure amorphe expansée, il n'y a pas de gonflement du matériau lors de l'insertion des ions. Ainsi, la couche ne se détériore pas car le transport des ions s'effectue sans changement de morphologie. Cette couche isotrope offre également l'avantage de permettre une bonne diffusion du lithium dans toutes les directions.
Selon l'invention, cette couche mince d'oxysulfure de titane répondant à la formule précitée peut être préparée par pulvérisation cathodique radiofréquence d'une cible de TiS3. Dans le composé
TiS3, l' atome de titane est tétravalent comme dans TiS2 et le soufre est présent sous la forme de sulfure et d' un groupement disulfure . Tiq+S2 S~2 Pour ce dépôt, l' emploi d' une cible de TiS3 est particulièrement intéressant car TiS3 peut être obtenu aisément par réaction chimique de titane et de soufre sous forme de poudres, en quantités stoechiométriques,
5 en tube scellé sous vide à 500°C. Dans ces conditions, on obtient une poudre de TiS3 de couleur noire, dont le spectre X correspond à celui de TiS3. Cette poudre peut être compactée aisément, par exemple sous une pression de 294 MPa (3 tonnes/cm2) et frittée, par exemple à une l0 température de 500°C, en tube scellé sous vide. On peut fabriquer ainsi des cibles de diamètre beaucoup plus important, par exemple de 50 ou 75 mm de diamètre, que dans le cas des cibles de TiS2. Aussi, ce procédé peut être mis en oeuvre à l'échelle industrielle pour la fabrication d'électrodes en couches minces, ce qui n'était pas possible avec le procédé de l'art antérieur utilisant une cible de TiS2, en raison de la nécessité
de limiter la puissance appliquée aux cibles de TiS_.
L'invention a également pour objet un générateur électrochimique utilisant le matériau d'électrode positive précité. Ce générateur comporte une électrode positive, une électrode négative capable de libérer un proton ou un ion de métal alcalin et un électrolyte conducteur ionique disposé entre les deux électrodes, et il se caractérise en ce que l'électrode positive est formée d'une couche mince d'un composé
amorphe de formule .
Ti.0aS3 + b dans laquelle a et b sont tels que .
6 0 < a <_ 0,5 0 < b <_ 0,7.
ladite couche étant disposée sur un substrat.
Les substrats utilisés pour supporter la couché
mince du composé amorphe peuvent être très divers, conducteurs ou isolants, souples ou rigides.
Généralement, on utilise un substrat conducteur de l'électricité ou un substrat isolant recouvert d'une l0 couche de matériau conducteur de l'ëlectricité sur laquelle est disposée la couche mince du composé
Ti0aS3 + b Le matériau conducteur de l'électricité peut être en particulier un métal, par exemple Cr, Pt, Ni, Al, etc., du silicium monocristallin, ou un oxyde conducteur de l'électricité comme les oxydes mixtes d'indium et d'étain (ITO).
Le support isolant peut être un matériau céramique, du pyrex, un verre ou une matière plastique résistant aux conditions de pulvérisation cathodique, par exemple une matière plastique souple telle qu'un polyester comme le polytéréphtalate d'étylène-glycol, ou un polyamide.
Ces substrats souples permettent en particulier la réalisation en continu d'électrodes de grande surface car on peut les faire défiler en continu dans l'enceinte de dépôt par pulvérisation cathodique.
Dans le générateur décrit ci-dessus, l'électrode négative peut être réalisée en particulier en lithium ou en matériau contenant du lithium. Le matériau contenant du lithium peut être un alliage de lithium ou un composé de lithium.
7 PCT/FR98/00799 L'électrode négative est de préférence sous la forme d'une couche mince déposée par des procédés classiques, par exemple par évaporation sous vide ou par pulvérisation cathodique. Des couches minces obtenues par de tels procédés sont très avantageuses car le départ des ions ne crée pas de vide à
l'interface.
L'électrode négative peut aussi être réalisée en alliage ou en composé comportant d'autres métaux alcalins, par exemple du sodium, du potassium, du césium ou du rubidium, ou en un composé capable de libérer des protons comme les hydrures métalliques tels que LaNi5H6, et les hydroxydes comme l' hydroxyde d' iridium.
Lorsque l'électrode négative est en lithium, on peut utiliser comme électrolyte solide un verre conducteur par ions lithium. Ce verre doit être un isolant électronique pour éviter l'autodécharge du générateur mais sa conductivité ionique doit être la plus élevée possible.
En effet, l'électrolyte doit jouer deux rôles essentiels . être un excellent isolant électronique entre les deux électrodes, et être un bon conducteur ionique. Son épaisseur doit être suffisante et la couche doit être rigoureusement exempte de défauts tels que des trous ou fissures, qui auraient pour conséquence immédiate une mise en court-circuit du générateur lors du dépôt d'électrode négative.
Des verres à base d'oxyde de bore, d'oxyde de lithium et de sel de lithium peuvent être utilisés, par exemple des verres contenant en diverses proportions B203, Li20, et LirX' avec X' représentant un anion
8 capable de se combiner avec le lithium sous la forme d'un sel et r représentant la valence de l'anion X'.
A titre d'exemples d'anions X' utilisables, on peut citer les anions halogénures et sulfate.
On pourrait aussi utiliser des verres conducteurs à base de sulfures, par exemples des verres au sulfure de bore, sulfure de lithium et sel de lithium.
Lorsque l'électrode négative comprend d'autres métaux alcalins ou des protons, l'électrolyte peut être constitué de verres du même type contenant les mêmes ions de métal alcalin ou des protons.
L'électrolyte peut être sous la forme d'une couche réalisée par évaporation sous vide ou pulvérisation cathodique. De préférence, on utilise la pulvérisation cathodique pour obtenir une couche continue, de très faible épaisseur, sans défauts.
On peut aussi utiliser comme électrolyte des matériaux solides en polymère conducteur ionique, par exemple du type polyoxyéthylène.
Le générateur électrochimique de l'invention peut être réalisé par des procédés classiques, en déposant successivement sur un substrat recouvert d'une couche conductrice de l'électricité formant collecteur de courant, une première couche du composé amorphe Ti0aS3+b. une deuxième couche d' électrolyte solide et une troisième couche formant l'électrode négative.
Selon l'invention, la première couche de composé Ti0aS3+b constituant l'électrode positive est déposée par pulvérisation cathodique, de préférence par pulvérisation cathodique radiofréquence ; ceci permet d'obtenir une couche mince, compacte, continue et
9 homogène, ayant un profil extrêmement régulier sans porosité superficielle.
L'épaisseur de la couche de Ti0aS3+b peut varier dans une large gamme. Généralement, on préfère une couche mince ayant une épaisseur de 200 nm à 10 gym.,.
Cette structure est particulièrement avantageuse car l'électrolyte déposé ensuite peut être sous la forme d' une couche d' épaisseur plus faible que dans le cas des générateurs électrochimiques « tout l0 solide » de l'art antérieur.
De ce fait, même en utilisant des électrolytes ayant une conductivité ionique faible, on peut obtenir des densités de courant plus élevées que dans les générateurs électrochimiques de l'art antérieur en utilisant des épaisseurs plus faibles d'électrolyte sans risque de courts-circuits.
De plus, en choisissant comme électrolyte un verre conducteur ionique, organique ou inorganique, à
conductivité par ions de métal alcalin tels que le lithium, le seul élément mobile est le lithium, les anions étant bloqués dans la structure d'électrolyte.
Ainsi, le transport ionique s'effectue par un seul élément et le système en couches minces facilite ce transport et permet d'obtenir des performances améliorées.
L'oxygène dans le matériau isotrope Ti0aS3+b provient de l'oxygène présent à titre d'impureté dans la cible de TiS3.
Pour la réalisation du générateur électrochimique, la deuxième couche d'électrolyte solide et la troisième couche formant l'électrode négative peuvent être déposées par des procédés classiques convenant à la réalisation de couches minces. On peut en particulier déposer l'électrolyte solide par pulvérisation cathodique ou évaporation sous vide, et l'électrode négative par évaporation sous vide.
5 Le principe de fonctionnement du générateur décrit ci-dessus est basé sur l'insertion et la désinsertion d'un ion de métal alcalin ou d'un proton dans l'électrode positive.
Le fonctionnement du générateur correspond à la
10 réaction globale .
Ti4+ + Li -> Ti3++ Li+
Ceci correspond à une force électromotrice de 2,945 volts.
Ce schéma est théorique car, d'une part, l'activité de l'ion lithium peut être différente et, d'autre part, d'autres espèces ioniques provenant par exemple du soufre peuvent participer à la réaction électrochimique.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit, donnée bien entendu à titre illustratif et non limitatif, en référence aux dessins annexés.
Brève description des dessins.
La figure 1 représente les résultats de l'analyse par rétrodiffusion de particules a d'une couche du composé TiOo, 2S3, 3 conforme à l' invention .
La figure 2 représente l'évolution de la conductivité électronique (log 6? en fonction de la température (1000/T en K)pour le composé de formule Tl.Op, 253, 3
11 La figure 3 représente schématiquement en coupe ' verticale un générateur électrochimique conforme à
l'invention.
' La figure 4 est une courbe de cyclage d'un générateur conforme à l'invention avec une densité. de courant de 10 ~A/cm2.
La figure 5 est une courbe de cyclage du même générateur avec une densité de courant de 50 uA/cm2.
La figure 6 représente les courbes de charge, à
travers des résistances dont les valeurs vont de 1 kS2 à 27 kS2, d' un générateur conforme à l' invention.
La figure 7 représente les courbes de décharge à travers des résistances dont les valeurs vont de 1 kS2 à 47 kS2, d' un générateur conforme à l' invention.
Exposé détaillé des modes de réalisation Exemple 1 . Préparation d'une couche mince de TiOp,2S3,3 .
On part d'un substrat constitué par une lame de verre de 3,7 x 2,5 x 0,1 cm recouverte d'une couche de chrome de 0,2 um d'épaisseur déposée par pulvérisation cathodique et formant un collecteur de courant. On dépose sur ce substrat une couche d'oxysulfure de titane de composition Ti0o,2S3,3 par pulvérisation cathodique à partir d'une cible de TiS3 de 50 mm de ' diamètre, dans les conditions suivantes .
- pression d'argon . 5.10 1 Pa, - puissance . 50 W soit 2,54 W/cmz, - tension-cible . 400 V, - distance cible-substrat . 5 cm,
12 - durée du dépôt . 1 h 20 min, et - vitesse de dépôt . 0,5 um/h.
On obtient ainsi une couche d'oxysulfure de titane Ti0o,2S3,3 dont l' épaisseur déterminée à l' aide d'un profilomètre est de 0,? um pour une masse. de 0, 7 mg, pour une surface de 4 cm2.
La structure amorphe de la couche est confirmée par spectrométrie aux rayons X, le spectre ne révélant aucune raie de diffraction.
lo On détermine ensuite la composition et la densité de la couche par rétrodiffusion des particules a (RBS) .
Les résultats obtenus sont représentés sur la figure 1. Sur cette figure, les trois derniers pics correspondent respectivement à 0, S et Ti, le pic correspondant à O étant très petit. Par intégration des pics, on peut déduire la composition de la couche qui correspond à TiOo,zS3,3. On note ainsi la faible présence d' oxygène qu' il n' est pas possible d' éliminer totalement de la couche bien que la cible soit constituée uniquement de TiS3, et un enrichissement en soufre de la couche par rapport à la cible. Un séjour à
l'air d'un échantillon pendant plusieurs heures ne montre pas de modification du spectre RBS, ce qui permet de conclure que ce matériau est faiblement hygroscopique.
La densité de la couche mince mesurée par spectrométrie RBS et par pesée est de 2,50, elle est ainsi beaucoup plus faible que celle du TiS3 massif de départ dont la densité est de 3,20. Cette faible densité est favorable à l'intercalation du lithium.
On prépare de la même façon une couche de TiOo, 253,3 d' une épaisseur de 2, 25 um par pulvérisation
13 cathodique d'une cible de TiS3, et on mesure sa conductivité électronique à des températures allant de 100 à 300 K.
La figure 2 illustre les résultats obtenus et représente les variations du logarithme de., la conductivité 6 (en ohm lcm 1) en fonction de la température 1000/T en K. On remarque ainsi que le comportement de la couche de Ti0o,2S3,3 est de type semi-conducteur avec une valeur de la conductivité de l0 0, 2 ohm lciri ' à la température ambiante .
Exemple 2 . Préparation d'un microgénérateur tout solide.
Pour préparer ce microgénérateur, on dépose sur l'ensemble obtenu dans l'exemple l, une couche d'électrolyte, puis une couche de lithium pour former l'électrode négative.
a) dépôt de la couche d'électrolyte.
L'électrolyte utilisé est un verre de composition 1B203-0, 8Li20-0, 8Li2S0q .
On dépose une couche de verre de cette composition par pulvérisation cathodique en utilisant le même appareillage que précédemment et une cible de verre obtenue par pastillage d'une poudre de verre de même composition suivi d'un frittage à l'air à 600°C
pendant 6 h.
Les conditions de dépôt sont les suivantes .
- pression d'argon . 10 z hPa - puissance . 100 W, soit 2,26 W/cm~
- tension cible . 250 v - durée . .4 h.
14 On obtient ainsi une couche d'électrolyte dont l'épaisseur mesurée à l'aide d'un profilomètre de 1, S um.
Cette couche est amorphe aux rayons X.
b) Dépôt de l'électrode négative.
L'électrode négative est réalisée en lithium et déposée par évaporation sous vide secondaire par bombardement électronique. Les conditions de dépôt sont les suivantes .
- vide résiduel . 5.10 ~ hPa - distance creuset-substrat . 20 cm - durée de l'évaporation . 5 minutes.
On obtient ainsi un film de lithium dont l'épaisseur contrôlée par microbalance à quartz est de is S um environ. On dépose ensuite une couche de 1 um d'aluminium par pulvérisation cathodique pour protéger le lithium.
On encapsule ensuite le générateur au moyen d'une résine époxy hydrophobe, puis d'une lame de verre pour le protéger de l'humidité.
La figure 3 représente en coupe verticale le microgénérateur ainsi obtenu. Sur cette figure, on voit que le microgénérateur comprend un substrat (1) en verre recouvert d'une couche (3) de chrome jouant le rôle de collecteur de courant, d'une couche (5) d'oxysulfure de titane TiOo,ZS3,3, d'une couche (7) d'électrolyte en verre conducteur ionique et de la couche (9) de lithium constituant l'électrode négative.
On vérifie les propriétés électrochimiques de ce générateur en effectuant des cyclages à courant constant et~ des charges et décharges à travers des résistances de valeurs données. Avec ce générateur, la tension en circuit ouvert est habituellement de 2,5 V.

Après un stockage de plusieurs mois, la tension reste constante, il n'y a pas d'auto-décharge.
Sur la figure 4, on a représenté la courbe obtenue lors d'un cyclage du générateur sous une 5 densité de courant de 10 uA/cm2, entre une tension, de 2, 5 V et 1, 8 V.
La figure 5 représente la courbe de cyclage obtenu lorsqu'on réalise le cyclage du générateur entre 2,5 V et 1,8 V sous une densité de courant de 10 5 0 ~.A/ cm2 .
Dans les deux cas, on remarque un bon comportement du générateur.
La figure 6 représente les courbes de charge du méme générateur à travers des résistances de
15 1 kS2, 2, 2 kS2, 4, 7 kSZ, 10 kS2 et 27 kSZ.
La figure 7 représente les courbes de décharge à travers des résistances de 1 kS2, de 2, 2 kS2, de 4, 7 k.~2., de 10 kS2, de 27 kS2 et de 47 kS2. Sur ces courbes, on remarque que pour des valeurs de résistance 20 inférieures à 1 kS2, c' est la résistance interne du générateur qui impose la densité du courant, celle-ci est voisine de 0,5 mA/cm2. Pour une telle densité de courant, la tension chute rapidement. Avec une résistance de 1 kS2, le générateur est rechargé en moins 25 d' une heure .
Pour une densité de courant de 10 ~A/cm2, la capacité massique du générateur est de l'ordre de 300 Ah/kg et l'énergie massique est voisine de ' 650 Wh/kg.
30 A titre comparatif, on précise que dans le cas du générateur de l'art antérieur (WO-A-90/05387) avec un cyclage sous une densité de courant de _ ___ _~. _.__
16 uA/cm2 entre 2,5 volts et 1 volt, on obtient une capacité massique de 125 Ah/kg et une énergie massique de 230 Wh/kg.
On remarque ainsi que le générateur 5 électrochimique de l'invention présente des performances très supérieures, sa capacité massique étant augmentée de plus 50 ô. L'amélioration est très importante par rapport au générateur de l'art antérieur.
10 De plus, l'invention permet la réalisation de cibles de TiS3 de grande taille en vue d'applications à
l'échelle industrielle pour la fabrication d'électrodes en couches minces.

Claims (12)

REVENDICATIONS
1. Matériau d'électrode positive pour générateur électrochimique constitué d'une couche mince d'un composé amorphe de formule :

TiOaS3+b dans laquelle a et b sont tels que :
0 < a ~ 0,5 0 < b ~ 0,7.
2. Matériau selon la revendication 1, dans lequel le composé amorphe répond à la formule :
Ti O o, 2 S3, 3
3. Procédé de préparation d'une électrode positive de générateur électrochimique consistant à
déposer sur un substrat une couche mince d'un composé
amorphe de formule :

TiO a S3+b dans laquelle a et b sont tels que :
0 < a ~ 0,5 0 < b ~ 0,7 par pulvérisation cathodique radiofréquence d'une cible de TiS3.
4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel le substrat est un substrat isolant recouvert d'une couche de matériau conducteur de l'électricité.
5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel le matériau conducteur de l'électricité est du chrome et dans lequel on dépose le chrome sur le substrat isolant par pulvérisation cathodique.
6. Générateur électrochimique comportant une électrode positive, une électrode négative capable de libérer un proton ou un ion de métal alcalin et un électrolyte conducteur ionique disposé entre les deux électrodes, caractérisé en ce que l'électrode positive est formée d'une couche mince d'un composé amorphe de formule TiO a S3+b dans laquelle a et b sont tels que :

0 < a ~ 0,5 0 < b ~ 0, 7, ladite couche étant disposée sur un substrat.
7. Générateur selon la revendication 6, dans lequel le composé amorphe répond à la formule :

TiO 0,2S3,3
8. Générateur selon la revendication 6 ou 7, dans lequel le substrat est un substrat isolant recouvert d'une couche de matériau conducteur de l'électricité sur laquelle est disposée la couche mince du composé TiO a S3+b.
9. Générateur selon la revendication 8, dans lequel le matériau conducteur de l'électricité est du chrome.
10. Générateur selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, dans lequel l'électrode négative est en lithium.
11. Générateur selon l'une quelconque des revendications 6 à 10, dans lequel l'électrolyte est en verre conducteur par ions lithium.
12. Générateur selon la revendication 11, dans lequel le verre conducteur est un verre à base de borale de lithium ayant la composition :

1B2 0 3-0,8Li2O-0,8Li2SO4.
CA002288937A 1997-04-22 1998-04-21 Materiau d'electrode positive a base d'oxysulfure de titane pour generateur electrochimique et son procede de preparation Abandoned CA2288937A1 (fr)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR97/04960 1997-04-22
FR9704960A FR2762448B1 (fr) 1997-04-22 1997-04-22 Materiau d'electrode positive a base d'oxysulfure de titane pour generateur electrochimique et son procede de preparation
PCT/FR1998/000799 WO1998048467A1 (fr) 1997-04-22 1998-04-21 Materiau d'electrode positive a base d'oxysulfure de titane pour generateur electrochimique et son procede de preparation

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CA2288937A1 true CA2288937A1 (fr) 1998-10-29

Family

ID=9506178

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CA002288937A Abandoned CA2288937A1 (fr) 1997-04-22 1998-04-21 Materiau d'electrode positive a base d'oxysulfure de titane pour generateur electrochimique et son procede de preparation

Country Status (10)

Country Link
US (1) US6355376B1 (fr)
EP (1) EP0978150B1 (fr)
JP (1) JP4191260B2 (fr)
KR (1) KR100491961B1 (fr)
AT (1) ATE205335T1 (fr)
CA (1) CA2288937A1 (fr)
DE (1) DE69801573T2 (fr)
FR (1) FR2762448B1 (fr)
TW (1) TW410487B (fr)
WO (1) WO1998048467A1 (fr)

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6332900B1 (en) * 1999-02-08 2001-12-25 Wilson Greatbatch Ltd. Physical vapor deposited electrode component and method of manufacture
FR2831318B1 (fr) * 2001-10-22 2006-06-09 Commissariat Energie Atomique Dispositif de stockage d'energie a recharge rapide, sous forme de films minces
US7208195B2 (en) * 2002-03-27 2007-04-24 Ener1Group, Inc. Methods and apparatus for deposition of thin films
FR2862432B1 (fr) 2003-11-14 2006-02-10 Stephanois Rech Mec Electrolyte solide, notamment pour cellule electrochimique en couches minces, et un procede de fabrication
FR2905028B1 (fr) 2006-08-21 2008-12-19 Commissariat Energie Atomique Dispositif de memoire electrochimique
FR2928768B1 (fr) * 2008-03-13 2010-04-09 Commissariat Energie Atomique Dispositif de memoire electrochimique non-volatile
US8609284B2 (en) * 2009-10-27 2013-12-17 Farasis Energy, Inc. Composite for cathode of Li-ion battery, its preparation process and the Li-ion battery
FR2952477B1 (fr) * 2009-11-06 2011-12-09 St Microelectronics Tours Sas Procede de formation d'une batterie de type lithium-ion en couches minces
JP6362371B2 (ja) * 2014-03-18 2018-07-25 公立大学法人大阪府立大学 酸化物系固体電解質及びその用途

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4066824A (en) * 1977-01-04 1978-01-03 Exxon Research & Engineering Co. Cell containing chalcogenide cathode, alkali metal anode and solid halo-aluminum alkali metal compound electrolyte
US4243624A (en) * 1979-05-21 1981-01-06 Exxon Research & Engineering Co. Method of making cathodes derived from ammonium-metal-chalcogen compounds
US4508608A (en) 1983-04-21 1985-04-02 Combustion Engineering, Inc. Method for making chalcogenide cathodes
JPS59217964A (ja) * 1983-05-26 1984-12-08 Hitachi Ltd 薄膜電池の正極構造
FR2638764B1 (fr) * 1988-11-04 1993-05-07 Centre Nat Rech Scient Element composite comportant une couche en chalcogenure ou oxychalcogenure de titane, utilisable en particulier comme electrode positive dans une cellule electrochimique en couches minces
US4934922A (en) * 1989-01-09 1990-06-19 Eic Laboratories, Inc. Cathode-active materials for secondary batteries
US5147739A (en) * 1990-08-01 1992-09-15 Honeywell Inc. High energy electrochemical cell having composite solid-state anode

Also Published As

Publication number Publication date
WO1998048467A1 (fr) 1998-10-29
FR2762448A1 (fr) 1998-10-23
TW410487B (en) 2000-11-01
FR2762448B1 (fr) 1999-07-09
JP4191260B2 (ja) 2008-12-03
DE69801573T2 (de) 2002-07-11
US6355376B1 (en) 2002-03-12
DE69801573D1 (de) 2001-10-11
KR20010005779A (ko) 2001-01-15
KR100491961B1 (ko) 2005-05-27
EP0978150B1 (fr) 2001-09-05
ATE205335T1 (de) 2001-09-15
EP0978150A1 (fr) 2000-02-09
JP2001521674A (ja) 2001-11-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0568524B1 (fr) Element composite comportant une couche en chalcogenure ou oxychalcogenure de titane, utilisable en particulier comme electrode positive dans une cellule electrochimique en couches minces
FR3071656B1 (fr) Electrolyte solide pour element electrochimique lithium-ion
EP1771899B1 (fr) Procede de fabrication d&#39;une electrode lithiee
EP2937929B1 (fr) Electrolyte solide pour micro batterie
EP0159266A2 (fr) Procédé pour préparer des électrodes négatives alliées et dispositifs utilisant ces électrodes
CA2432397A1 (fr) Procede de preparation d&#39;electrode a partir d&#39;un silicium poreux, electrode ainsi obtenue et systeme electrochimique contenant au moins une telle electrode
CA2377915A1 (fr) Generateur electrochimique a electrolyte polymerique tout solide comprenant des polymeres fluores
EP1828838A1 (fr) Cellule electrochimique souple a absorption et reflexion optiques controlees ayant un electrolyte aqueux
EP3084866B1 (fr) Compartiment anodique avec collecteur en alliage amorphe
EP1995815B1 (fr) Verre organique électrolytique, son procédé de fabrication et dispositif le comprenant
EP0978150B1 (fr) Materiau d&#39;electrode positive a base d&#39;oxysulfure de titane pour generateur electrochimique et son procede de preparation
Aribia et al. In situ lithiated ALD niobium oxide for improved long term cycling of layered oxide cathodes: a thin-film model study
EP3699315A1 (fr) Feuillard métallique pour électrode d&#39;élément électrochimique comprenant un matériau à base de ti, c et h
JP2006100083A (ja) 電池用負極とこれを用いた電池
EP4052314A1 (fr) Électrolyte gelifié pour élement électrochimique lithium ion
EP3557658B1 (fr) Electrolyte solide de batterie
FR2964963A1 (fr) Electrolyte solide vitreux pour cellule electrochimique
FR3112029A1 (fr) Electrode traitee en surface, les elements, modules et batteries la comprenant
WO2021013559A1 (fr) Composition d&#39;électrolyte pour un élément électrochimique comprenant une anode de lithium
EP1680829A1 (fr) Electrolyte solide, notamment pour cellule electrochimique en couches minces, et un procede de fabrication
FR3136117A1 (fr) Electrode négative pour élément électrochimique primaire au lithium
FR3134396A1 (fr) Procédé de fluoration d’une surface de lithium métallique
CA3135270A1 (fr) Composants multicouches electrode-electrolyte et leurs procedes de fabrication
FR3073090A1 (fr) Electrode positive pour microbatterie tout solide au lithium et son procede de fabrication
Hwang et al. Highly Conductive Ag-Doped Sinx Anode for Transparent Rechargeable Thin-Film Battery

Legal Events

Date Code Title Description
FZDE Discontinued