Ionic liquids under 1D nanometric confinement

Liquides ioniques sous confinement nanométrique unidimensionnel

• Auteur / Autrice : Filippo Ferdeghini
• Direction : Jean-Marc Zanotti
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 20/10/2015
• Etablissement(s) : Paris 6
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Léon Brillouin (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1974-....)
• Jury : Président / Présidente : Anne-Laure Rollet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Aleksandar Matic, Denis Morineau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean Le Bideau, Arnaud Desmedt

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanotubes

Conduction ionique

Mots clés libres

Liquide ionique

Confinement

Dynamique

Neutrons

Poreux

Nanotube de carbone

Ionic liquid

Confinement

Résumé

L'idée à la base de ce projet est de mettre à profit le confinement nanométrique unidimensionnel pour décupler la conduction ionique des électrolytes et donc la puissance des accumulateurs au lithium. Nous avons concentré nos efforts sur une classe particulière d'électrolytes qui, en raison de leurs stabilités physique et électrochimique, ont été identifiés comme prometteurs: les Liquides Ioniques (LI). Nous avons confiné les LI dans deux systèmes poreux présentant une topologie commune (pores cylindriques macroscopiquement orientés) mais aux propriétés physico-chimiques complémentaires: i) des alumines poreuses (AAO, interface hydrophile, diamètre des pores de 25 à 160 nm) et ii) des membranes de NanoTubes de Carbone (NTC, interface hydrophobe, diamètre des pores 4 nm).Nous avons développé un modèle microscopique multi-échelle original, prenant en compte la dynamique complexe des cations des LI: combinaison i) de la dynamique de réorientation rapide des chaînes latérales alkyle, ii) de la diffusion de la molécule au sein des agrégats nanométriques spontanément formés par les LI, puis iii) de la diffusion entre ces agrégats. Ce modèle reproduit de façon remarquablement robuste les données de diffusion quasi-élastique de neutrons sur une gamme étendue de vecteurs de diffusion (0,1 à 2,5 Å-1) et de temps (10-1 à 2.103 ps). A cette échelle locale, nous ne détectons pas d'influence du confinement sur la dynamique du LI confiné au sein des AAO et des CNT. Nous montrons cependant qu'à l'échelle microscopique (PFG-NMR) et macroscopique (spectroscopie d'impédance) le confinement des LI au sein des NTC permet d'obtenir un gain de conductivité d'un facteur 3. Un brevet est déposé.

The idea behind this project is to exploit the 1D nanometric confinement in order to increase the electrolytes ionic conductivity and, thus, the power of the lithium accumulators. We have focus on a specific class of electrolytes, which, owing to their physical and electrochemical stabilities, have been identified as very promising: the Ionic Liquids (ILs). We have confined the ILs in porous systems having a common topology (cylindrical pores macroscopically oriented), but with complementary physico-chemical properties: i) the porous alumina (AAO, hydrophilic interface, pores diameter between 25 and 160 nm) and ii) Carbon NanoTubes based membranes (CNT, hydrophobic interface, pores diameter of 4 nm).We have developed an original microscopic multiscale model, taking into account the complex dynamics of ILs cations: combination of i) fast reorientation dynamics of side alkyl-chains, ii) molecule diffusion within nanometric aggregates spontaneously formed in the ILs and iii) diffusion between the aggregates. This model reproduces in a very robust way the quasi-elastic neutrons scattering data on an extent interval of wave vector (0.1 à 2.5 Å-1) and time (10-1 à 2.103 ps). At this local scale, we do not observe any influence due to the confinement on the dynamics of the ILs confined in the AAO and CNTs. We show however that at microscopic (PFG-NMR) and macroscopic (impedance spectroscopy) scale the ILs confinement within the NTCs allows to obtain a conductivity gain of factor 3. A patent is filed.