Synthèse et caractérisations électrochimiques vis-à-vis du lithium de structures organiques polycarbonylées et/ou azotées pour application au stockage électrochimique de l’énergie

par Joaquin Geng Lopez

Thèse de doctorat en Sciences. Sciences des matériaux

Sous la direction de Philippe Poizot.

Soutenue en 2011

à Amiens .

mots clés

• Accumulateurs au lithium
• Composés organiques -- Analyse électrochimique
• Azote -- Composés organiques -- Analyse électrochimique
• Électrodes
• Électrochimie

Résumé

Dans le but de satisfaire les besoins électriques et face au manque d’une solution universelle, toute méthode fiable et sûre peut trouver une application pratique. A partir de cette observation, la technologie Li-ion, capable de stocker l’électricité de manière efficace, va jouer un rôle crucial dans les années à venir. Bien que la technologie actuelle se base exclusivement sur des matériaux d’insertion inorganiques, obtenus par des techniques énergivores et à partir de ressources non-renouvelables. L’abondance des matières premières et le coût du cycle de vie de ces matériaux peuvent présenter un obstacle à long terme si on envisage des applications à grande échelle. Afin de proposer une alternative viable, nous avons mis en avant une approche radicalement différente, en développant des matériaux organiques obtenus à partir de la biomasse. Toutefois, promouvoir des matériaux d’électrodes organiques requiert la difficile tâche d’identifier les centres redox organiques capables de réagir réversiblement à haut comme à bas potentiel vs Li. Dans ce cadre, nous avons décidé de synthétiser et d’étudier les propriétés électrochimiques de composés organiques actifs pour applications en tant qu’électrodes d’ accumulateur Li-ion. Nous avons cherché à évaluer différentes structures polycarbonylées et/ou azotées. Dans une première partie nous avons étudié des dérivés azotés neutres, tels que les pipérazines tétrones et deux dérivés de l’héxaazatriphénylène (HAT), puis nous avons étudié l’effet des substituants sur la structure de différentes p-benzoquinones, et nous avons finalement étudié le sel de dilithium du diimide pyromellitique. Notre but est de constituer une bibliothèque qui puisse nous permettre de relier la structure du composé organique à son comportement électrochimique à l’état solide vis à vis du lithium. Cette base nous permettra de développer des matériaux organiques capables de répondre aux besoins électriques présents et futurs.

Titre traduit

Synthesis and electrochemical characterization versus lithium of organic polycarbonylated and/or nitrogen containing structures for electrochemical energy storage applications

Résumé

To satisfy our electrical needs and being faced with a total lack of universal solution, any safe and reliable way to generate operative electricity could find a practical application. From this point of view efficient electrical storage technologies such as Li-ion batteries will have a crucial role to play. However, current technology nearly exclusively operates on inorganic insertion compounds synthesized from high temperature reactions and non renewable resources. The abundance and material life cycle costs of such batteries may present issues in the long term with foreseeable large scale applications. As possible alternative, we have put forward a radically different approach by developing low emission materials based on organic typically deriving from biomass. However, promoting organic-based electrode materials involves the difficult task of identifying stable redoxorganic materials able to reversibly react at both high and low potentials vs. Li. In this context we decided to synthesize and study the electrochemical properties of polycarbonylated compounds, and evaluate different structures. First we studied some nitrogen based derivatives, such as tetraketopiperazines and two derivatives of hexaazatriphenylene (HAT), then we have studied the substituant effect on the p-benzoquinone core and we tested vs Li the pyromellitic diimide dilithium salt. We were looking forward to create a robust experimental database of potential chemical structures in relation with their solid state electrochemical behavior towards lithium. We hope that these results will help us to develop new electro-active organic materials able to satisfy the present and future electrical needs.