Matériaux pour conversion et stockage simultanés de l'énergie

Materials for simultaneous energy conversion and storage

• Auteur / Autrice : Jérémy Sum
• Direction : Christel Laberty-Robert, Natacha Krins
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 20/01/2022
• 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 : Hubert Perrot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Benoît Limoges, Elise Nanini-Maury
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nathalie Job, Pierre Millet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes photovoltaïques

Électrolytes

Photoélectrons

Batteries lithium-ion

Stockage

Énergie solaire

Mots clés libres

Batterie

Photovoltaïque

Stockage

Énergie solaire

Dioxyde de titane

Électrochimie

Battery

Photovoltaic

Titanium diioxide

Résumé

Ce projet de thèse vise la conception d’un seul dispositif électrochimique capable de collecter l’énergie solaire, la convertir et la stocker de façon réversible. Pour ce faire, nous avons choisi de travailler avec un matériau d’électrode bi-fonctionnel qui doit à la fois absorber une partie du spectre solaire et aussi accueillir réversiblement les ions lithiums dans sa structure. Dans ce contexte, nous avons travaillé avec un film de TiO2 anatase mésoporeux comme électrode positive bi-fonctionnelle. L'illumination de l'électrode lithiée (après décharge) induit une réaction d'extraction des ions lithium (c'est-à-dire la recharge de la batterie), ouvrant la voie aux batteries Li-ion photo-rechargeables. La photo-extraction des ions lithium à tension de circuit ouvert et pendant le cyclage électrochimique a été démontrée. Le mécanisme proposé envisage l’oxydation du Ti3+ en Ti4+ par les trous photo-générés, entraînant ainsi l'extraction de l'ion lithium. Cependant, le sort des photo-électrons n'a pas été élucidé. Dans cette thèse, nous avons choisi de contrôler et d'orienter le devenir des photo-électrons en ajoutant de l'eau comme accepteur. Ainsi, nous avons travaillé avec un électrolyte à base d'eau (ie Water In Salt, WIS) pour accéder à une grande capacité de stockage des ions lithium et produire une molécule de stockage, le dihydrogène. Selon l'état de charge de la batterie, la composition de l’électrode varie : d'une phase monocristalline à un matériau bi-phasique. L'impact de ce changement de composition sur la dynamique de la production d'hydrogène et les processus induits par la lumière seront tous deux discutés dans cette thèse. Ce travail constitue une preuve de concept que les batteries Li-ion à faible potentiel pourraient être rechargées uniquement par exposition à la lumière.

Our approach to alleviate the solar intermittency is to combine, in a single photo-electrochemical cell, solar energy conversion and storage. Starting from a Li-ion battery configuration, we propose to use Li-ion host photo-electrodes, which could both harvest solar energy and store it. We will be presenting the case of mesoporous TiO2 anatase, as a positive electrode. The illumination of the lithiated electrode (after discharge) induces a lithium-ion extraction reaction (i.e. the recharge of the battery), opening the way to Li-ion photo-rechargeable batteries. Photo-extraction of lithium ions at open circuit voltage and during electrochemical cycling was demonstrated. The holes’ photo-generated seems to oxidize the Ti3+ into Ti4+ resulting in the extraction of the lithium ion, however the fate of the photo-electrons was not elucidated. In this thesis, we chose to control and orient the fate of the electrons by adding water as a photo-electron acceptor, thereby choosing a water-based electrolyte (i.e. water-in-salt, WIS) to also be able to access a large storage capacity of lithium ions and produce a storage molecule, the dihydrogen. Depending of the state of charge of the battery, the electrode composition varies a lot: from a single crystalline phase to a two-phase material. The impact of this composition change in the dynamics of, the production of hydrogen and the light-induced processes, both will be discussed in this thesis. This work constitutes a proof of concept that low potential Li-ion batteries could solely be recharged by exposure to light.