4.2 Matériau d’anode
4.2.3 Etain et oxydes d’étain
L’alliage maximal du lithium avec l’étain est Li22Si15, ce qui correspond
à une capacité spécifique théorique de 994 mAh·g−1 (Winter et Besenhard,
1999). L’état de l’art sur les batteries lithium mettant en jeu l’étain a per- mis à Winter et Besenhard de conclure que la cyclabilité était faible pour une électrode fabriquée à partir de poudre de Sn, même si elle pouvait être
améliorée avec l’utilisation de SnO, SnO2 ou des alliages SnSb. Les auteurs
pointaient déjà les même problèmes que ceux rencontrés avec le silicium : gonflement puis pulvérisation du matériau sous l’effet de la lithiation et formation d’une épaisse couche d’électrolyte solide (SEI) continue durant le cyclage. Aux mêmes causes, les mêmes conséquences (forte capacité ir- réversible et faible durée de vie en cyclage) et les mêmes solutions : les
composites CNT-SnO2 semblent être des candidats sérieux comme anode
de batterie Li-ion (Lahiri et Choi, 2013).
Wang et coll. (2008) ont réalisé un composite CNT-SnO2 par une mé-
thode en voie liquide consistant à imprégner une suspension de nanotubes
d’une solution de SnCl2(figure 1.24). Le matériau disposait d’une capacité
réversible du même ordre de grandeur que celle obtenue par Fu et coll.
(2009) avec la même méthode : environ 700 mAh·g−1. Ce résultat modeste
s’explique en partie par la faible quantité d’étain déposé sur les nano- tubes. Ce compromis a permis une durée de vie convenable, avec encore
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FIGURE 1.24– Photo TEM du composite CNT-SnO2 obtenu par imprégna- tion en voie liquide, d’après Wang et coll. (2008).
Noerochim et coll. (2010) ont employé du SnCl4·5 H2O comme précur-
seur pour l’oxyde d’étain dans une méthode hydrothermale (mélange en voie liquide suivi d’une chauffe en autoclave). Les nanoparticules ainsi dé- posées sont cristallisées, en revanche les résultats restent du même ordre de grandeur que ceux évoqués précédemment, avec toutefois une durée de vie améliorée. Les auteurs ont remarqué que la formation de la SEI et
la réduction du SnO2 en présence de Li+ avaient lieu à 0,7 V/Li+/Li. La li-
thiation intervient vers 0,1 V/Li+/Li alors que la délithiation a lieu à partir
de 0,5 V/Li+/Li, l’hystérésis étant probablement due à la faible conductivité
électrique du matériau.
Zhang et coll. (2009) ont choisi de réaliser une électrode sans support à partir d’une matrice de CNT sur laquelle a été déposée une couche mono-
atomique de SnO2. Cette solution permet d’atteindre 850 mAh·g−1 de ca-
pacité réversible et de réduire la masse de l’électrode grâce à l’absence de collecteur électrique.
En conclusion, la capacité est, dans le meilleur des cas, doublée par rap- port au graphite, au prix d’une diminution de la durée de vie qui découle
des mécanismes réactionnels complexes entre le SnO2 et le lithium d’une
part, et l’électrolyte d’autre part. L’étain paraît donc présenter moins d’inté- rêt que le silicium pour augmenter la capacité spécifique de l’anode Li-ion.
5 Composite SnO2-CNT pour capteur de gaz
5.1 Généralités 55
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Composite SnO
2-CNT pour capteur de gaz
5.1
Généralités
Les capteurs de gaz sont généralement des systèmes simples constitués d’une couche sensible permettant la reconnaissance du gaz avec lequel elle interagit et d’un système transducteur transformant l’interaction chimique en un signal électrique (Debliquy, 2006). Souvent, les deux fonctions sont intimement liées. Les avantages principaux des capteurs vis-à vis des ana- lyseurs (chromatographes et spectromètres) sont leur faible encombrement, leur faible consommation énergétique, leur faible coût et les temps de réponse relativement courts. Tous ces avantages en font des instruments idéaux pour les mesures sur site et le contrôle de procédé en ligne. En revanche, l’analyse de mélanges complexes nécessite l’emploi d’un grand nombre de capteurs sensibles à l’une ou l’autre espèce gazeuse. L’exploi- tation du signal de plusieurs capteurs différents à l’aide d’un traitement du signal adéquat constitue ce qu’on appelle un « nez électronique ». Ces dernières années, ce domaine a fait l’objet d’une activité intense.
Il existe plusieurs familles de capteurs chimiques qui se distinguent par le type de couche sensible et le principe de transduction, la plus fréquente est celle basée sur la modification de la conductivité d’une couche sensible en oxyde semi-conducteur (Sun et coll., 2012).
Les performances des capteurs sont caractérisées par différents para- mètres (Debliquy, 2006). Les principaux sont les suivants :
– sensibilité : lien entre les variations de signal du capteur et la concen- tration en gaz cible
– limite de sensibilité : concentration minimale détectable en gaz cible – sélectivité : aptitude à détecter le gaz cible à l’exclusion de tout autre – interférents : gaz autres conduisant à une réponse indésirable du cap-
teur
– temps de réponse : temps requis pour atteindre 90 % de la réponse en régime après mise en contact avec le gaz à détecter
– temps de récupération : temps requis pour revenir à la valeur de base du signal après évacuation du gaz
– durée de vie : période pendant laquelle les caractéristiques du cap- teur permettent son utilisation avec un degré de précision suffisant (dépend de l’exigence de l’application)
– dérive : évolution de la ligne de base du capteur en l’absence du gaz cible
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Ces paramètres peuvent être évalués en temps réel grâce à des bancs de tests permettant de mesurer la réponse des capteurs dans des condi- tions connues de température, pression et concentration en différents gaz oxydants ou réducteurs. Ce système est installé notamment au Laboratoire d’Analyse et d’Architecture des Systèmes (LAAS) de Toulouse, dans le cadre des travaux de l’équipe Microsystèmes d’Analyse (MICA) dirigée par P. Menini (C.Talhi et coll., 2011). Les couches sensibles exploitées peuvent être constituées d’un semi-conducteur minéral, essentiellement des oxydes métalliques, ou d’un semi-conducteur organique. Les capteurs à base d’oxyde métallique semi-conducteur (SMO) ont connu une diffusion et un succès commercial important, et très majoritairement ceux avec une couche sensible en dioxyde d’étain (Sun et coll., 2012).