Recherche de matériaux organique lithiéspour électrode positive de batterie Li-ion & éco-conception

Synthesis of lithiated organic materials for positive electrode of Li-ion batteries & eco-design

• Auteur / Autrice : Lou Bernard
• Direction : Philippe Poizot, Stéven Renault
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 12/04/2022
• Etablissement(s) : Nantes Université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matière, Molécules Matériaux et Géosciences (Le Mans)
• Jury : Président / Présidente : Fannie Alloin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Peggy Zwolinski
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fannie Alloin, Matthieu Becuwe

Mots clés

Mots clés contrôlés

Accumulateurs

Oxydes métalliques

Batteries lithium-ion

Mots clés libres

Matériaux redox organiques lithiés

Synthèse organique

Analyse de Cycle de Vie

Lithiated redox organic materials

Organic synthesis

Life-Cycle Assessment

Résumé

Actuellement, les matériaux d’électrode positive de batterie Li-ion sont majoritairement basés sur des oxydes métalliques. Cependant, leur production consommatrice de ressources naturelles et d’énergie augmente leur empreinte environnementale. Répondre à la demande exponentielle de stockage électrochimique tout en limitant l’impact sur l’environnement requiert des technologies plus écologiques. Parmi les axes de recherche possibles, les matériaux redox organiques pourraient relever ce défi à un moindre coût environnemental et économique. En effet, la richesse de la chimie organique permet de sélectionner des structures afin de moduler le potentiel, la capacité spécifique et les réactions réversibles multi-électroniques sur des centres redox de type n ou p. Notre groupe se spécialise dans l’élaboration de matériaux lithiés stables à l’air capables d’atteindre un haut potentiel de fonctionnement. Dans ce travail de recherche, chaque partie rapporte respectivement l’influence de la régioisomérisation, de la nature du cation et du polymorphisme sur des sels de dihydroxy-téréphtalate lithiés. Enfin, une Analyse de Cycle de Vie a été réalisée sur le composé (2,5-dihydroxy)-téréphtalate de magnésium en tant que matériau actif d’électrode positive d’un pack batterie de véhicule électrique ; l’objectif étant de donner un premier aperçu de l’impact environnemental de ce matériau innovant.

Currently, inorganic active materials such as metal oxides dominate the field of Li-ion battery electrode materials. However, the consumption of natural resources and energy increase the environmental footprint of such batteries. Meeting the ever-growing needs for electrical storage devices while reducing the environmental impact call for greener battery technologies. Among the various lines of research, organic redox materials could offer the possibility of rising to those challenges, possibly at a lower environmental and economic cost. Their wide choice of chemical structures and functions offers opportunities to tune their redox potential, specific capacity, and reversible multielectron reactions demonstrating n-type and/or p-type reactivity. Our group strives notably for developing air-stable lithiated materials in order to reach high output voltage. Within this background, this thesis aims at investigating regioisomerisation, cation nature and polymorphism to tune electrochemical performances of lithiated dihydroxy-terephthalate salts. Eventually, a Life-Cycle Assessment on magnesium (2,5-dilithium-oxy)-terephthalate as positive electrode material of electric vehicle’s battery has been conducted ; this study aims at giving insights into the environmental impacts of such innovative materials.