Conception et développement de nouveaux matériaux d'électrodes organiques pour batteries Lithium-ion et Sodium-ion

Design and development of new organic electrode materials for Lithium-ion and Sodium-ion batteries

• Auteur / Autrice : Roberto Russo
• Direction : Matthieu Becuwe, Christine Frayret
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie - Electrochimie des Systèmes organiques
• Date : Soutenance le 10/11/2022
• Etablissement(s) : Amiens
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, technologie et santé (Amiens)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de réactivité et chimie des solides (Amiens ; 1968-....)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Poizot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mathieu Morcrette, Christophe Domain
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Philippe Poizot, Alexandru Vlad

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux

Électrodes

Matériaux organiques

Mots clés libres

Chimie organique

Batterie

Lithium

Sodium

Batteries toutes organiques

Chemistry

Organic chemistry

All-Organic Batteries

Résumé

Poussées par la demande croissante de dispositifs de stockage d'énergie électrochimiques à grande échelle tels que les réseaux intelligents et les véhicules électriques, les batteries à faible coût et à haute densité énergétique font désormais l'objet de recherches intensives. Afin de réaliser des matériaux performants mais peu coûteux et respectueux de l'environnement, les chercheurs ont commencé à étudier les matériaux d'électrodes organiques, qui ne contiennent que des éléments légers et abondants en terre et présentent des propriétés très prometteuses. Outre les prix généralement plus bas et les capacités volumétriques plus élevées, les matériaux organiques présentent également les avantages d'une recyclabilité plus élevée et d'une synthèse plus facile contre les composés inorganiques. Cette thèse est axée sur l'étude de nouveaux matériaux dérivés de sources biologiques, pour la construction de batteries Li-ions éco-compatibles. Actuellement, les électrodes de batterie sont des oxydes de métaux de transition à l'état solide, dont le coût de production est élevé et les émissions de CO2 élevées. Dans la première partie du projet, un criblage informatique des molécules potentielles sera effectué. En particulier, le calcul ab initio fournira des informations utiles à la fois sur la géométrie et sur les structures électroniques des molécules à l'étude. À partir de ces données, il sera possible de déterminer les matériaux avec les meilleurs paramètres électrochimiques (potentiel rédox, capacité spécifique). Après le premier criblage in silico, la prochaine étape consistera à synthétiser et à analyser les molécules les plus prometteuses. Une fois le matériau synthétisé, il sera possible de réaliser les premiers tests électrochimiques, afin d'obtenir une vue plus précise des molécules examinées. Les tests sont divisés en deux types: les mesures spectroscopiques, pour vérifier efficacement la structure des molécules synthétisées en laboratoire, et les tests électrochimiques, tels que la voltamétrie cyclique, permettant d'obtenir une première estimation des propriétés électrochimiques. Dans la troisième partie du projet, les prototypes de batteries seront fabriqués avec les meilleurs matériaux candidats. La construction du prototype permet d'étudier les paramètres fondamentaux de la batterie, tels que le potentiel redox, la capacité spécifique et la stabilité du cycle. Les données générées par les prototypes de batteries donnent un aperçu de l'application potentielle des matériaux dans la fabrication de batteries à grande échelle

Driven by the growing demand for large-scale electrochemical energy storage devices such as smart grids and electric vehicles, low-cost batteries with high energy density have become objects of intense research. In order to achieve high performance but low-cost and ecofriendly material, researchers started to study organic electrode materials, which only contain light and earth-abundant elements and shows very promising properties. Apart from generally lower prices and higher volumetric capacities, organic materials also have the advantages of higher recyclability and easier synthesis against inorganic compounds. This thesis is focused on the study of new materials derived from bio-sources, for the construction of eco-compatible Li-ions batteries. Currently, battery electrodes are solid-state transition metal oxide, which have a decidedly high cost of production and high CO2 emission. In the first part of the project, a computational screening of the potential molecules will be carried out, in particular ab initio calculation will provide useful information on both geometry and electronic structures of the molecules under investigation. From this data it will be possible to determine the materials with the best electrochemical parameters (redox potential, specific capacity). After the first in silico screening, the next step will be to synthesize and analyze the molecules that are most promising. Once the material has been synthesized, it will be possible to carry out first electrochemical tests, in order to get a more precisely overview on the molecules under examination. Tests are dived into two types: spectroscopic measurements, to effectively verify the structure of molecules synthesized in the laboratory, and electrochemical tests, such as cyclic voltammetry, able to get a first estimate about electrochemical properties. In the third part of the project, battery prototypes will be manufactured using the best candidate materials. The construction of the prototype allows to study fundamental battery parameters, such as redox potential, specific capacity and cycling stability. The data generated by battery prototypes give an insight about the potential application of the materials on the large-scale battery manufacturing