Synthèse, caractérisation et étude des propriétés de nouveaux composés exotiques d'intercalation des ions lithium

Synthesis, characterization and study of the properties of new exotic lithium ion intercalation compounds

• Auteur / Autrice : Thomas Marchandier
• Direction : Jean-Marie Tarascon, Gwenaëlle Rousse
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 10/12/2021
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Chimie du solide et de l'énergie (Paris ; 2014-....)
• Jury : Président / Présidente : Olivier Mentré
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Robert Cava, Simon Clarke, Sandrine Ithurria-Lhuillier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Mentré, Montserrat Casas Cabanas

Mots clés

Mots clés contrôlés

Batteries lithium-ion

Intercalation (chimie)

Cristallographie

Chimie de l'état solide

Mots clés libres

Chimie du Solide

Cristallographie

Intercalation

Synthèse

Li-ion

Batteries

Solid state chemistry

Cristallography

Li-ion

Résumé

Le réchauffement climatique est l'un des défis majeurs de 21ème siècle. Pour parvenir à le juguler, une modification de notre mix énergétique est nécessaire et des dispositifs de stockage performants doivent aussi être développés. La technologie Li-ion figure parmi les solutions les plus intéressantes. Toutefois, la demande de densité d'énergie toujours plus grande nécessite une amélioration continue de ces systèmes. Ainsi, l'un des éléments les plus limitants se trouve être l'électrode positive ce qui a mené au cours des 40 dernières années à une recherche effrénée dans le domaine. Pourtant, la plupart des matériaux d'intercalation du lithium répertoriés dans les bases de données ont été explorés. Le but de ce travail de thèse est d'explorer différentes voies permettant de synthétiser de nouveaux composés d'insertion du lithium. Ainsi, dans un premier temps nous nous sommes intéressés aux synthèse basse température. Aussi, nous avons étudié un procédé de synthèse hydrothermale d'oxydes de ruthénium permettant d'obtenir plusieurs nouveaux composés, certains présentant des propriétés électrochimiques et/ou magnétiques intéressantes. Nous avons ensuite ré-exploré la chimie des sulfures lithiés. Nous avons montré qu'il reste dans cette famille des compositions inexplorées qui peuvent aider à la compréhension de mécanismes électrochimiques complexes observés dans les oxydes. Enfin, nous avons étudié tour à tour les propriétés électrochimiques de composés oxysulfures et halogénures. Cela confirme que de belles découvertes de matériaux d'intercalation restent à faire et rappelle le potentiel de cette chimie d’insertion bien au-delà du stockage de l'énergie.

Global warming is one of the major challenges of the 21st century. In order to curb it, a change in our energy mix is necessary. However, most renewable energy sources are intermittent and efficient storage devices must be developed. Li-ion technology is among the most interesting solutions. However, the demand for ever greater energy density requires improvement of these systems. One of the most limiting elements is the positive electrode, which has led to a frantic research in this field over the last 40 years. However, most of the lithium intercalation materials listed in the databases have been explored and ideas are running out. The aim of this thesis is then to explore different ways to synthesize new lithium insertion compounds.Thus, in a first step we are interested in low temperature synthesis routes to obtain original materials. Indeed, most of the traditional syntheses are done at high temperature and lead only to the most stable compounds leaving metastable ones inaccessible. Thus, we have studied a hydrothermal synthesis process of ruthenium oxides which allowed us to obtain several new compounds, some of which present interesting electrochemical and/or magnetic properties. Then we have re-explored the chemistry of lithium sulfides left fallow for many years. We have shown that there are still unexplored compositions in this family that can help to understand complex electrochemical mechanisms observed in oxides. Finally, we have studied in turn the electrochemical properties of oxysulfides and halide compounds. This confirms that great discoveries are still to be made and reminds us of the potential of this insertion chemistry beyond energy storage.