Développement de systèmes électrochimiques innovants pour applications en batteries à flux circulants

Development of innovative electrochemical systems for redox flow batteries applications

• Auteur / Autrice : Mathieu Deschanels
• Direction : Frédéric Favier, Steven Le Vot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie et physico-chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 10/12/2020
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Chimiques (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Charles Gerhardt (Montpellier ; 2006-....)
• Jury : Président / Présidente : Laure Monconduit
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Favier, Steven Le Vot, Laure Monconduit, Daniel Belanger, Florence Geneste, Guy Deniau, Emmanuel Baudrin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Daniel Belanger, Florence Geneste

Mots clés

Mots clés contrôlés

Diels-Alder, Réaction de

Mots clés libres

Batteries à flux circulants

Modification de surface

Réaction de Diels-Alder

Chimie du diazonium

Redox flow batteries

Surface modification

Diels-Alder reaction

Diazonium chemistry

Résumé

Les batteries à flux circulants sont des dispositifs de stockage électrochimique de l’énergie caractérisés par la possibilité de dissocier leur énergie de leur puissance. Cette propriété donne à ces systèmes une grande adaptabilité facilitant leur mise à l’échelle pour développer des dispositifs de stockage de masse. Ces batteries bien que disposant de propriétés intéressantes sont encore limitées par leurs coûts et les faibles densités d’énergie qu’elles développent.Dans cette thèse, plusieurs axes ont été envisagés pour permettre l’amélioration de leurs performances. Les matériaux carbonés sont très utilisés dans ces systèmes (électrodes, configuration semi-solide). Les modifications de surfaces permettent d’ajuster les propriétés d’interface entre les matériaux carbonés et l’électrolyte. Dans une première étude, une méthode de modification basée sur la réaction de Diels-Alder est développée. L’objectif est de proposer un protocole de modification simple et adaptable pour différents groupements chimiques. Dans une seconde étude, la modification d’électrode de carbone par la réduction chimique de cations diazonium est réalisée avec des molécules hydrophobes. L’objectif est d’empêcher l’accès des molécules d’eau à la surface de l’électrode pour inhiber la réduction électrochimique de l’eau. Dans un troisième volet, une configuration de batterie utilisant deux pH différents dans le compartiment positif et négatif est étudiée. Cette configuration doit permettre une meilleure versatilité dans le choix des couples rédox ainsi que le développement de systèmes avec de plus grandes tensions de cellule.

Redox flow batteries are electrochemical energy storage devices characterized by its ability to dissociate their energy from their power. This property gives these systems a great adaptability facilitating their scalability to develop mass storage devices. These batteries, although having interesting properties, are still limited by their cost and the low energy densities they develop.In this thesis, several axes have been considered to improve their performance. Carbonaceous materials are widely used in these systems (electrodes, semi-solid configuration). Surface modifications allow to adjust the interface properties between the carbonaceous materials and the electrolyte. In a first study, a modification method based on the Diels-Alder reaction is developed. The objective is to propose a simple and adaptable modification protocol for different chemical moieties. In a second study, carbon electrode modification by chemical reduction of diazonium cations is performed with hydrophobic molecules. The objective is to prevent the access of water molecules to the electrode surface to inhibit the electrochemical reduction of water. In a third part, a battery configuration using two different pH in the positive and negative compartment is studied. This configuration should allow a better versatility in the choice of redox couples as well as the development of systems with higher cell voltages.