Synthèse et caractérisation de copolymères à blocs anioniques utilisés en tant qu'électrolyte solide pour les batteries au lithium métallique

Synthesis and characterization of single-ion block copolymers as solid electrolytes for lithium-metal batteries

• Auteur / Autrice : Adèle Ferrand
• Direction : Didier Gigmes, Trang Phan
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences Chimiques. Chimie des polymères
• Date : Soutenance le 21/06/2017
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole èdoctorale Sciences Chimiques (Marseille ; 1996-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Chimie Radicalaire (ICR) (Marseille)
• Jury : Président / Présidente : Fannie Alloin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Marc Zanotti
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Damien Quémener, Muriel Lansalot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Accumulateurs au lithium-polymère

Piles à électrolyte solide

Polyaddition

Copolymères

Mots clés libres

Copolymères

Copolymer

Résumé

L'élaboration de batteries performantes dans le but de promouvoir l’utilisation de véhicules électriques fait partie des stratégies majeures de développement durable. Les batteries constituées d’une électrode de lithium métallique semblent parmi les plus prometteuses. Cependant, cette technologie pose des problèmes de sécurité due à la croissance de dendrites. Afin de supprimer ce phénomène, des travaux sont consacrés à l’élaboration d’électrolytes polymères solides (SPE) combinant une conductivité ionique élevée et des propriétés mécaniques suffisantes pour empêcher cette croissance dendritique. Une des stratégies pour obtenir des SPE présentant l’ensemble des propriétés recherchées est l’élaboration de copolymères à blocs. Ainsi, un bloc POE assurant la conductivité ionique est combiné avec d’autres polymères aux propriétés mécaniques adaptées. À l’heure actuelle, quelques matériaux pourraient répondre à l’ensemble de ces critères, mais seulement à 80°C. L’objectif de cette thèse est de mettre au point un matériau avec de bonnes performances en termes de conductivité ionique et de tenue mécanique à 40 °C. Notre stratégie consiste à diminuer la cristallinité et la température de fusion du POE afin d’optimiser la conductivité à basse température. Plusieurs séries de copolymères à blocs à base de divers POE linéaires et de polymères anioniques ont été synthétisées par NMP. Les copolymères à blocs constitués d’un polycondensat de POE (Tf < 40°C) révèlent une conductivité ionique relativement élevée (1,3×10-6 S.cm-1) à 40°C couplée à une grande rigidité mécanique (Ey=50MPa). Ce nouveau matériau apparaît donc comme un SPE prometteur pour les batteries au lithium métallique.

The elaboration of efficient batteries to promote the use of electric vehicles is a matter of primary importance for sustainable long-term development. Lithium-Metal Batteries (LMB) are among the most promising. However, such technology presents several safety issues due to dendritic growth. To overcome these drawbacks, studies are performed on solid polymer electrolytes (SPE) that combine both high conductivity and suitable mechanical properties to prevent the dendritic growth. One of the strategies to obtain a SPE displaying all the desired properties is the elaboration of block copolymers. Like so, a PEO bloc with high ionic conductivity is combined with suitable mechanical properties of another polymer. Currently, many materials could meet the different requirements, but only at 80°C. The aim of this thesis is to develop a polymer material offering good performances in terms of ionic conductivity and mechanical rigidity at 40 °C in order to limit the energy loss. Our strategy consists in reducing the crystallinity and the melting temperature of PEO to optimize its conductivity at low temperature. In order to do so, several block copolymer sets constituted of various linear PEO and anionic polymers have been synthesized by NMP. Interestingly, the block copolymers containing PEO with a low degree of crystallinity, due to the limitation of chain stereoregularity, display low melting temperatures (Tf < 40°C). Moreover, the one made of polycondensats of PEO exhibits a relatively high ionic conductivity (1.3×10-6 S.cm-1) at 40 °C while displaying strong mechanical properties (Ey=50MPa). This new material seems to be a promising SPE for LMB.