Synthèse et étude physico-chimique de nouveaux matériaux organiques d'électrode positive à base de phénothiazine pour les applications dans les accumulateurs au lithium

Synthesis and physico-chemical analysis of novel organic positive electrode materials for lithium-ion batteries

• Auteur / Autrice : Thibault Godet-Bar
• Direction : Jean-Claude Leprêtre, Jean-Yves Sanchez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance le 15/07/2013
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble, Isère, France ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Laboratoire d'Electrochimie et de Physico-chimie des Matériaux et Interfaces
• Jury : Président / Présidente : François Tran-Van
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jacques Guindet, Pierre-Henri Aubert
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Poizot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Phénothiazine

Électrochimie

Mots clés libres

Électrochimie

Phénothiazine

Batterie Li/Na

Polymères polyfonctionnels

Greffage du carbone

Polymères

Phenothiazine

Battery Li/Na

Electrochemistry

Polymères polyfonctionnelsPolyfonctionnal polymer

Carbon grafting

Polymer

Résumé

L’objectif de cette thèse est de développer des matériaux organiques rédox à base de phénothiazine pour être utilisés à l’électrode positive des batteries lithium. Les matériaux organiques s’inscrivent en rupture des matériaux inorganiques coûteux et toxiques. Dans ce but, des matériaux rédox contenant l’unité phénothiazine ont été synthétisés, caractérisés. Leurs propriétés électrochimiques ont été analysées par dépôt sur électrode et par microélectrode à cavité, puis les plus prometteurs ont été testés en cellule lithium et sodium. La cible rédox choisie, la phénothiazine, a été polymérisée et substituée à un squelette phosphazène. Les tests en cellules ont mis en évidence la dissolution systématique du matériau et la nécessité d’empêcher ce phénomène rédhibitoire pour l’application batterie. Dans ce but, l’utilisation de polymères insolubles et de copolymères dotés d’une fonction post-réticulable ont permis d’augmenter significativement la cyclabilité et les performances énergétiques des cellules lithium. De plus, l’utilisation du sodium à l’électrode négative et d’anions peu lipophiles ont également permis de limiter cette contribution de dissolution. Une fonctionnalisation du carbone par la phénothiazine a également été investiguée par deux stratégies différentes. Dans les deux cas, un greffage a été réalisé avec succès. Les analyses électrochimiques ont permis de confirmer des propriétés électrochimiques très prometteuses de ces carbones modifiés.

The aim of this work is to develop phenothiazine-based redox organic materials for lithium positive electrode. Comparatively to inorganic materials, organic ones can constitute clear break by decreasing the cost, toxicity and security issues while keeping good performances. In that purpose, redox materials involving phenothiazine moieties have been synthesized, characterized, then, their electrochemical properties have been analyzed electrochemically, the most promising ones have been tested in lithium and sodium cells. The redox target chosen, the phenothiazine, has been polymerized and functionalized onto phosphazene backbone. Cell tests showed material dissolution contribution has to be avoided. In this context, insoluble polyphenothiazine and cross-linkable copolymers were able to upgrade significantly the cyclability and the energetic performances of lithium cells. Moreover, sodium cells with a poor lipophilic anion showed lower dissolution contribution. Carbon grafting by phenothiazine has also been investigated. It has been performed by electrochemical and chemical means and has led to promising electrochemical performances.