Développement et évaluation de nouveaux séparateurs pour les batteries Nickel-Zinc

Development and evaluation of new separators for Nickel-Zinc batteries

• Auteur / Autrice : David Vidal
• Direction : Odile Fichet, Séverine Alfonsi, Linda Chikh
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie - Cergy
• Date : Soutenance le 19/12/2023
• Etablissement(s) : CY Cergy Paris Université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie (Cergy-Pontoise, Val d'Oise)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physico-chimie des polymères et des interfaces (Cergy-Pontoise, Val d'Oise ; 1998-....)
• Jury : Président / Présidente : Xavier Colin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Odile Fichet, Séverine Alfonsi, Linda Chikh, Fannie Alloin, Hubert Perrot, Sylvain Brimaud
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fannie Alloin, Hubert Perrot

Mots clés

Mots clés libres

Polymères

Stabilité

Diffusion hydroxide

Separateur

Batterie Nickel-Zinc

Polymer

Stability

Hydroxide diffusion

Separator

Nickel-Zinc battery

Résumé

Les batteries nickel-zinc offrent des performances qui répondent aux exigences du stockage d'énergies renouvelables intermittentes. De plus, par rapport aux batteries lithium-ion, cette technologie est sûre, hautement recyclable et le zinc est un métal abondant. Dans ces batteries, les électrodes sont séparées par un séparateur polymère qui limite la diffusion des zincates de l'électrode de zinc vers celle de nickel tout en favorisant le transfert des ions hydroxyde. Cependant, la durée de vie de ces séparateurs limite actuellement les performances de la batterie. Il existe donc un besoin critique d'en développer des plus durables fonctionnant avec un électrolyte alcalin.Ce travail de thèse s'est d'abord axé sur l'étude des principales caractéristiques (diffusion aux ions hydroxyde, mouillabilité…) des séparateurs commerciaux Celgard traités par un revêtement hydrophile ou non, et sur leur évolution lors d'un vieillissement chimique. Cette étude a permis de corréler la désorption du revêtement hydrophile et la perte des performances observées en batterie.Afin d'améliorer leur stabilité dans le temps, un polymère hydrophile réticulé, l'alcool polyvinylique (PVA), a été introduit dans le volume poreux de plusieurs séparateurs, se différenciant par la présence ou non d'un revêtement hydrophile. La présence de ce polymère réticulé s'est avéré améliorer la mouillabilité du séparateur mais aussi la diffusion des ions hydroxyde. Ces propriétés sont conservées à la suite d'un vieillissement chimique accéléré dans l'eau ou l'électrolyte alcalin.L'introduction de surfactants en combinaison avec le PVA permet d'améliorer encore ces propriétés tandis que le PVA augmente la stabilité du séparateur au cours du vieillissement. Enfin, des tests en batterie Ni-Zn utilisant les séparateurs développés au cours de cette thèse ont confirmé ces résultats prometteurs.

Nickel-Zinc based batteries offer performances that match the requirements of the storage of the intermittency of renewable energies. Moreover, compared to Lithium-ion batteries, this technology happens to be safe, highly recyclable and zinc is an abundant metal. In these batteries, electrodes are separated by a polymer separator restricting the diffusion of zincate ions from zinc electrode towards the nickel while promoting the transfer of hydroxide ions. However, the lifetime of these separators currently limits the battery's performance. Thus, there is a critical need to develop more durable separators for batteries operating in alkaline electrolyte.This PhD work first focused on the study of the main characteristics of commercially (hydroxide diffusion, wettability, etc.) of commercial Celgard® separators, treated with a hydrophilic coating or not, and on their evolution under a chemical ageing. This study allowed correlate the desorption of hydrophilic coating with the decay in battery performances.To improve the performance stability over time, a cross-linked hydrophilic polymer, polyvinyl alcohol (PVA), was introduced into the porous volume of several separators, differentiated by the presence or absence of a hydrophilic coating. The presence of this crosslinked polymer was found to improve the separator wettability and the hydroxide ion diffusion. These properties are preserved after an accelerated chemical ageing in water or alkaline electrolyte.The introduction of surfactants in combination with PVA further improves these properties, while PVA enhances the separator's stability during aging. Finally, Ni-Zn battery tests using the separators developed during this thesis have confirmed these promising results.