Développement de matériaux d'électrodes organiques pour batterie anionique

Development of organic electrode materials for anionic battery

• Auteur / Autrice : Vincent Cadiou
• Direction : Philippe Poizot, Thibaut Gutel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 29/11/2018
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matière, Molécules Matériaux et Géosciences (Le Mans)
• Partenaire(s) de recherche : COMUE : Université Bretagne Loire (2016-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Matériaux Jean Rouxel (Nantes)
• Jury : Président / Présidente : Florence Geneste
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Matthieu Becuwe

Mots clés

Mots clés contrôlés

Batteries à flux organique

Polymères

Matériaux organiques

Mots clés libres

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Résumé

Une nouvelle génération de batteries, à base de matériaux d’électrodes organiques, pourrait répondre en partie à la demande croissante en moyen de stockage de l’énergie, sans épuiser les ressources naturelles, à contrario des technologies actuellement commercialisées. Grâce à la diversité structurale de la chimie organique, de nouvelles opportunités existent permettant d’entrevoir le développement de batteries de type « rocking-chair anionique » grâce à l’intégration de matériaux d’électrode organiques de type p, avec la potentialité in fine de ne renfermer aucun métaux. Cependant, un choix limité de matériaux organiques de type p est rapporté dans la littérature. Le premier objectif de cette thèse a consisté à synthétiser deux matériaux d’électrodes positives de type p, les 2,5-dianilinotéréphtalates de dilithium et de magnésium. Un soin particulier a été pris pour favoriser des stratégies de synthèse intégrant au mieux les principes de la chimie « verte ». Des monocristaux de ces sels, développés en voie aqueuse, ont permis la résolution de leur structure cristalline, conduisant à une meilleure interprétation de leurs mécanismes électrochimiques. Dans un second temps, nous avons développé des matériaux polymériques d’électrodes négatives de type p appelés polyviologènes. D’ordinaire facilement solubles dans les solvants d’électrolytes de type carbonates organiques, nous avons modifié leurs structures afin d’augmenter leur tenue en cyclage. La dernière partie de cette thèse a consisté à optimiser la formulation des électrodes positives et négatives développées au cours de la thèse, afin d’assembler des batteries « tout organique » anioniques performantes, lesquelles ont permis d’obtenir une tension de cellule de 0,7 V.

A new generation of organic batteries could partly meet the growing demand for energy storage without depleting natural resources, in contrast to current technologies. Thanks to the structural diversity of organic chemistry, new opportunities exist allowing the development of "anionic rocking chair" batteries, through the integration of p-type organic electrode materials, with the ultimate potentiality to avoid any metals. However, a limited choice of p-type organic materials is reported in the literature. The first objective of this thesis was to synthesize two p-type positive electrode materials, dilithium and magnesium 2,5-dianilinoterephthalates. Particular care has been taken to promote synthesis strategies that best integrate the principles of "green" chemistry. Single crystals of these salts, developed in water, allowed the resolution of their crystalline structure, leading to a better interpretation of their electrochemical mechanisms. In a second step, we developed polymeric p-type materials for negative electrodes called polyviologens. Usually soluble in organic carbonate type electrolyte solvents, we have modified their structures to increase their cycling behavior. The last part of this thesis consisted in optimizing the formulation of the positive and negative electrodes developed during the thesis, in order to assemble efficient "all organic" anionic batteries, which allowed to obtain a cell voltage of 0.7 V.