Vers une batterie Li-ion photo-rechargeable

Towards a Li-ion photo-rechargeable battery

• Auteur / Autrice : Olivier Nguyen
• Direction : Christel Laberty-Robert
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 06/11/2018
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Chimie de la matière condensée de Paris (1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Fabien Miomandre
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ivan Lucas, Véronique Balland, Natacha Krins
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Fabien Miomandre, Jean-Pierre Pereira-Ramos

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux poreux

Électrochimie -- Appareils et matériel

Énergies renouvelables

Générateurs photovoltaïques

Mots clés libres

Batterie Li-Ion

Système photo-rechargeable

Conversion de l'énergie solaire

Stockage électrochimique

TiO2 anatase

Film mince mesoporeux

Li-ion battery

Photo-rechargeable system

Solar Energy Conversion

Electrochemical storage

TiO2 anatase

Mesoporous thin film

Résumé

Utilisée en tant que source d’énergie renouvelable, l’énergie solaire peut permettre de repousser les limites d’autonomie des batteries, tandis que l’utilisation de batteries est nécessaire pour gérer le problème d’intermittence de l’énergie solaire. Le design conventionnel d’une batterie solaire implique l’utilisation d’une unité de stockage et d’une unité de conversion reliées l’une à l’autre par des fils électriques. Dans ce travail, une autre approche est explorée pour permettre la conversion et le stockage de l’énergie dans un dispositif unique qui utilise une électrode de TiO2 anatase en tant qu’électrode de batterie Lithium-ion photo-rechargeable. Des films minces mésoporeux de TiO2 anatase déposés sur substrats de FTO sont utilisés en tant qu’électrode modèle pour permettre le contrôle de l’architecture de l’électrode. Ces films sont préparés en combinant la chimie sol-gel et le procédé de trempage-retrait (dip-coating). Le comportement électrochimique sous illumination de ces électrodes est étudié dans une configuration de batterie Li-ion afin d’apporter la preuve de concept de la photo-recharge de l’électrode de TiO2. Les mécanismes photo-induits ainsi que le destin des photo-charges est analysé en étudiant notamment l’influence de l’architecture de l’électrode et le rôle de l’électrolyte.

Sunlight, as abundant clean source of energy, can alleviate the energy limits of batteries, while batteries can address photovoltaic intermittency. Conventional design of solar charging batteries involves the use of batteries and solar modules as two separate units connected by electric wires. In this work, we have studied another approach to harvest and store solar energy simultaneously into a single device, using a TiO2 bi-functional Li-ion battery photo-electrode. The apprehension of an electrode undergoing simultaneous light absorption and Li+ intercalation/extraction is very rich in terms of potentialities. At the same time, the various facets of the electrode evolution are very challenging to track and understand. Mesoporous TiO2 anatase thin film on FTO substrates are used as model electrodes to allow a careful control of the electrode architecture. They are prepared by combining the sol-gel chemistry with the dip-coating process, using the “evaporation induced self-assembly” (EISA) approach. In order to bring the proof of concept of the photo-recharge of the electrode, its electrochemical behaviour under illumination is studied using a Li-ion battery configuration. Photo-induced mechanisms and fate of photo-charges are investigated by studying the influence of the electrode architecture and of the electrolyte.