Bien que l'humanité lutte contre le défi pressant des émissions de gaz à effet de serre, l'importance des solutions énergétiques durables devient de plus en plus évidente. Les batteries au lithium-ion, considérées comme une avenue prometteuse pour stockage d'énergie électrique, sont essentielles pour l'électronique intégrée, le transport électrique et la production irrégulière à partir de sources renouvelables telles que l'éolien, la géothermie et le solaire. Cependant, leur adoption généralisée dépend de deux facteurs critiques principaux tels que la non-disponibilité du lithium dans la croûte terrestre et sa difficulté d'extraction. De plus, batteries au lithium-ion doivent stocker plus d'énergie et se recharger rapidement. Peut-être que l'exigence de haute capacité des batteries au lithium-ion pourrait être satisfaite en étudiant composants clés du lithium-ion, en particulier les électrodes d'anode (négative) et cathode (positive). Dans ce cadre, l'étude des composés d'intercalation du graphite (GIC) émerge comme un domaine essentiel, offrant des perspectives pour améliorer capacité de l'électrode d'anode où le graphite est le matériau hôte, d'où le nom GIC.
Essentiellement, le GIC, qui appartient aux matériaux stratifiés, implique l'insertion régulière d'atomes, d'ions ou de molécules invités entre les couches graphite. Dans le contexte du GIC, travaux théoriques et expérimentaux ont été réalisés dans le but de comprendre et de relever les défis des batteries au lithium-ion. Par exemple, chercheurs ont exploré l'utilisation d'autres métaux alcalins (AM) tels que le sodium (Na) et le potassium (K) en remplacement du lithium (Li). Cependant, premiers semblent avoir une capacité réduite, en particulier dans cas du sodium (Na), où le composé totalement sodié est connu pour ne pas former. De plus, alors que les matériaux entièrement lithiés du GIC-Li ont été bien étudiés et caractérisés, les phénomènes en régime de concentration diluée ou faible demeurent évasifs. De même que pour le lithium, peu ou pas d'informations sur le régime de concentration diluée sont connues pour le GIC-K. En fait, le potassium (K) a été signalé pour occuper les interstices du graphite de manière désordonnée sans aucune stœchiométrie établie entre le carbone et le potassium. De plus, dans ce régime, des questions telles que l'évolution de l'environnement local AM en fonction de concentration, la concentration en AM à laquelle le l'empilement de graphite pur (AB ou Bernal) passe à l'empilement totalement lithié (AA ou hexagonal) pendant la lithiation, le mécanisme qui entraîne l'intercalation, et bien d'autres questions restent ouvertes dans le domaine des composés d'intercalation du graphite de métal alcalin (AM-GIC).
Par conséquent, dans ce mémoire de thèse, nous avons mené une étude numérique approfondie sur à la fois le GIC-Li et le GIC-K la phase dense aux phases diluées en utilisant le formalisme de la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT). L'objectif de ce travail est de comprendre l'intercalation des AM (Li, Na et K) dans le graphite avec un accent particulier sur le régime dilué. Bien que notre outil DFT ait révélé que peu de calculs pouvaient être effectués avec Na en raison de son coût computationnel élevé, nous nous sommes concentrés sur Li et K pour lesquels des comportements différents sont rapportés dans les expériences. Utilisant l'outil DFT, nous avons montré que l'interaction entre Li et K dans la galerie du graphite n'est pas simplement électrostatique comme on l'a supposé jusqu'à présent. De plus, dans le régime dilué, les AM déforment localement la feuille de graphite pour éviter une surcompression par les atomes de carbone. Cette déformation structurelle est différente dans le graphite AB et AA. Nous avons utilisé cette différence structurelle observée entre le graphite AB et AA pour étayer la transition de l'empilement AB à l'empilement AA lors de l'intercalation de Li sur base des calculs d'énergie totale de la DFT.
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Contact : Pascal Pochet​