“Smart membranes” pour batteries Lithium-Métal-Polymère.

par Nino Modesto

Projet de thèse en Physique des materiaux

Sous la direction de Jean-Marc Zanotti, Didier Gigmes et de Quentin Berrod.

Thèses en préparation à l'Université Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale physique , en partenariat avec SYstèmes Moléculaires et nanoMatériaux pour l'Energie et la Santé (laboratoire) depuis le 01-10-2019 .


  • Résumé

    Le sujet propose une voie originale pour permettre l'utilisation des batteries « lithium métal polymère » à température ambiante. Cet objectif sera atteint par la mise en conjonction de trois effets : i) le confinement nanométrique de l'électrolyte au sein de membranes à base de tapis de NanoTubes de Carbone (NTC) alignés verticalement, ii) l'utilisation de POE de faible masse molaire et iii) la conduction ionique unidimensionnelle. Les polymères électrolytes (PE) sont constitués de sels de lithium dissous dans une matrice polymère qui joue le rôle de solvant solide. Le système PE canonique est le POE (Poly(Oxyde d'Éthylène), (CH2CH2O)n) + LiTFSI. La conductivité ionique de cet électrolyte est étroitement liée à la dynamique des chaînes de polymère. Pour de bonnes performances en conduction il est nécessaire de maintenir ces accumulateurs à 80°C, une température supérieure au point de fusion du POE bulk. Un attrait du confinement nanométrique est la capacité qu'il procure à décaler TM, le point de fusion d'un matériau vers les basses températures : DELTA_TM ~ 1/d où d est le diamètre du pore (effet Gibbs-Thomson). Dans le cadre de cette étude, nous utiliserons le confinement du POE + LiTFSI au sein de NTC (d = 4 nm) pour obtenir un abaissement du point de fusion de plusieurs dizaines de degrés. Cet effet sera exalté par la faible interaction entre la paroi graphénique interne des NTC et le polymère confiné. Le sujet passe par la synthèse d'une smart membrane : le greffage de chaînes de POE de longueur nanométrique sur l'une des extrémités du tapis de NTC. Cet aspect est essentiel pour s'affranchir du caractère conducteur électronique des NTC. Par ailleurs, la conformation des chaînes greffées à l'entrée des NTC (chaînes étendues ou en pelote) dépendra fortement de l'environnement physico-chimique (pH, solvant, température …). Ces smart membranes, présentent donc un intérêt en tant que nano-valves stimulables ou membranes de filtration.

  • Titre traduit

    “Smart” Composite Membranes for Lithium-Metal-Polymer Batteries.


  • Résumé

    The subject offers an original way to allow the use of 'lithium metal polymer' batteries at room temperature. This objective will be achieved by combining three effects: i) the nanometric confinement of the electrolyte within membranes based on vertically aligned carbon NanoTubes (CNT) mats, ii) the use of low mass POEs molar and iii) one-dimensional ionic conduction. Electrolyte polymers (EP) consist of lithium salts dissolved in a polymer matrix which acts as a solid solvent. The canonical EP system is POE (Poly (Ethylene Oxide), (CH2CH2O) n) + LiTFSI. The ionic conductivity of this electrolyte is closely related to the dynamics of the polymer chains. For good conduction performance it is necessary to maintain these accumulators at 80 ° C, a temperature above the melting point of POE bulk. An attraction of nanometric confinement is the ability to shift TM, the melting point of a material to low temperatures: DELTA_TM ~ 1 / d where d is the diameter of the pore (Gibbs-Thomson effect). In the context of this study, we will use the confinement of POE + LiTFSI within NTC (d = 4 nm) to obtain a melting point decrease of several tens of degrees. This effect will be exalted by the weak interaction between the internal graphene wall of the CNTs and the confined polymer. The subject goes through the synthesis of a smart membrane: the grafting of nanoscale POE chains on one end of the NTC mat. This aspect is essential to overcome the electronic conductive character of the CNTs. Moreover, the conformation of grafted chains at the entrance of CNTs (extended chains or pelota) will strongly depend on the physico-chemical environment (pH, solvent, temperature ...). These smart membranes are therefore of interest as stimulable nano-valves or filtration membranes.