Vers un nouveau concept de batterie protonique

Towards a new concept of a proton battery

• Auteur / Autrice : Ekaterina Kurchavova
• Direction : Mireille Turmine, Vincent Vivier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie Physique
• Date : Soutenance le 13/10/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Chimie physique et chimie analytique de Paris Centre (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de réactivité de surface (Paris ; 1985-....)
• Jury : Président / Présidente : Jalal Ghilane
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Judith Monnier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Florence Geneste, Renaud Bouchet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électrolytes

Liquides ioniques

Accumulateurs au nickel-hydrure métallique

Mots clés libres

Ni-MH Batterie

Liquides ioniques

Électrochimie

Ni-MH Battery

Ionic liquids

Electrochemistry

Résumé

Les batteries Ni-MH sont des systèmes de stockage d'énergie largement utilisés qui sont reconnues pour leur bonne cyclabilité, une densité énergétique compétitive, un faible effet mémoire, une large gamme de températures de fonctionnement, un faible coût et leur respect de l'environnement. Malgré ces avantages notables, leur utilisation est limitée par une énergie spécifique relativement modeste et du problème de vieillissement des matériaux d’électrodes. Ces limitations sont principalement dues à l'utilisation d'un électrolyte alcalin (KOH) qui est assez agressif avec une fenêtre de potentiel électrochimique (EPW) relativement limitée. Ce travail vise à proposer un électrolyte alternatif pour l'électrode négative de stockage d'hydrogène des batteries Ni-MH afin de remplacer l'électrolyte aqueux KOH 8,7 M conventionnel et surmonter les inconvénients susmentionnés. Plusieurs liquides ioniques et leurs mélanges ont été synthétisés et leurs propriétés physicochimiques ont été étudiées. Trois liquides ioniques, l'acétate de pyrrolidinium, l'acétate d'éthanolammonium et l'acétate de diéthanolammonium, ont été utilisés avec succès comme électrolyte avec l'électrode négative de la batterie et une capacité de décharge maximale de 295 mAh.g-1 a été obtenue lors de l'utilisation du mélange acide acétique 2M / acétate de pyrrolidinium. Tous ces électrolytes ont une EPW élargie par rapport à l'électrolyte KOH (0.20 à 0.41 V). Cet élargissement permet d’entrevoir des possibilités pour de nouveaux types d'électrodes dont l'utilisation était limitée en raison de l'étroitesse de l'EPW de l'eau, ce qui permet d'augmenter de manière significative la puissance spécifique de la batterie Ni-MH. La corrosion calendaire de l'alliage de l'électrode négative a été étudiée ainsi que la dégradation de l'électrode négative pendant le fonctionnement de la batterie. Il a été montré que l'utilisation de [Pyrr][Ac] et [DEAO][Ac] limite significativement la corrosion de l'alliage typiquement observée dans l'électrolyte KOH, qui est la cause principale de la dégradation de la batterie Ni-MH commerciale, pendant le fonctionnement de la batterie et la corrosion calendaire.

Ni-MH battery is widely used energy storage systems, which are recognized for their good cyclability, competitive energy density, low memory effect, wide range of operating temperatures, low cost, and environmental friendliness. Despite these notable advantages, their widespread adoption is still limited by the relatively modest specific energy and the challenge of electrode aging. Those limitations are mainly affected by the use of quite aggressive water-based KOH electrolyte and with a relatively low Electrochemical Potential Window (EPW). This work aims to propose an alternative electrolyte for hydrogen storage negative electrode of Ni-MH batteries to replace the conventional water-based KOH 8.7 M and overcome aforementioned drawbacks. Series of PILs and their mixtures have been synthetized, and their physicochemical properties have been studied. Three ionic liquids, Pyrrolidinium Acetate, Ethanolammonium Acetate and Diethanolammonium acetate, showed successful use as electrolyte with negative battery electrode, with a maximum discharge capacity of 295 mAh.g-1 when working in a mixture 2M Acetic Acid / Pyrrolidinium Acetate. All these electrolytes have enlarged EPW compare to KOH electrolyte, with an increase of 0.20 to 0.41 V. This enlargement paves the way for possibilities of using new type of electrodes which were limited due to the narrow EPW of water. It can thus significantly increase the specific power of Ni-MH battery. The calendar corrosion of the negative electrode alloy was studied as well as degradation of the negative electrode while battery was operating. It was shown that use of [Pyrr][Ac] and [DEAO][Ac] prevents the corrosion of the alloy typically observed in KOH electrolyte, which is the main cause of the degradation of the commercial Ni-MH battery, during battery performance and calendar corrosion.