Mécanique des élastomères ioniquement conducteurs

Mechanics of ionic conducting elastomers

• Auteur / Autrice : Burebi Yiming
• Direction : Costantino Creton, Zheng Jia
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 19/12/2023
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres en cotutelle avec Zhejiang University (Hangzhou, Chine)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Sciences et ingénierie de la matière molle (Paris ; 1997-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Ecole supérieure de physique et de chimie industrielles de la Ville de Paris (1882-....)
• Jury : Président / Présidente : Annie Colin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Costantino Creton, Zheng Jia, Guillaume Miquelard-Garnier, Pierre-Jean Cottinet, Marleen Kamperman, Armelle Ringuedé
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Guillaume Miquelard-Garnier, Pierre-Jean Cottinet

Mots clés

Mots clés libres

Elastomere conducteur

Proprietes mecaniques

Elastomeres reseau multiple conducteur ioniques

Conducting elastomers

Mechanical properties

Multinetwork ionic conductive elastomers

Résumé

Dans ce manuscrit, nous nous concentrons sur la synthèse de SIC sans solvant et tentons de répondre à certaines questions : (1) Comment l'humidité ambiante affecte-t-elle les performances électriques et mécaniques des ICE résistants renforcés par des liaisons dynamiques précédemment rapportés ? (2) Pouvons-nous améliorer la stabilité ambiante des élastomères conducteurs ioniques en remplaçant les sels de lithium secs par de lithium hydratés ? (3) Est-il possible de concevoir des CIE qui peuvent éviter le compromis entre la conductivité ionique, la rigidité, la force et la ténacité, tout en offrant une élasticité et une résistance à la fatigue élevées ? (4) Pouvons-nous améliorer la conductivité ionique des SIC sur la base des idées de conception des réseaux ? En conséquence, nous aborderons toutes ces questions dans les chapitres respectivement distincts de ce manuscrit.Dans le chapitre 1, nous présentons d'abord différents types de SIC basés sur des réseaux de polymères intrinsèquement extensibles et leur utilisation. Ensuite, nous présentons différentes méthodes qui peuvent conduire à des SIC solides et résistants. Les principales questions telles que les origines du compromis entre la conductivité ionique et les propriétés mécaniques seront discutées.Dans le chapitre 2, pour mieux comprendre l'influence de l'humidité ambiante sur les performances mécaniques et électriques des ICE, nous préparons d'abord différents types d'ICE sans solvant à base de lithium et comparons leurs performances mécaniques et électriques avant et après les avoir exposés à l'air ambiant pendant une période prolongée (jusqu'à 96 heures).Dans le chapitre 3, nous concevons un système ICE par conception intégrée hydrophobe/hydrophile en utilisant des réseaux de polymères hydrophobes et des sels hydratés hydrophiles afin d'étudier, si la stabilité ambiante des ICE peut être améliorée en introduisant des sels de lithium hydratés dans les réseaux de polymères, et nous étudions leur stabilité ambiante.Dans le chapitre 4, pour concevoir des SIC qui peuvent éviter les problèmes de compromis entre la conductivité ionique et la performance mécanique, nous concevons des réseaux de polymères rigides et rigides composés de monomères à élevé et faible et nous gonflons ces réseaux dans le monomère à faible, suivi d'une polymérisation ultérieure une fois que l'équilibre de gonflement est atteint. Le matériau résultant est composé de premiers réseaux bien réticulés, de réseaux matriciels faiblement réticulés et de sel de Li. Par conséquent, il offre des performances mécaniques accrues grâce à la dissipation d'énergie provenant des premiers réseaux sacrificiels et une conductivité ionique élevée en raison d'un plus faible qui peut augmenter la mobilité de la chaîne des réseaux.Dans le chapitre 5, nous nous concentrons sur l'amélioration de la conductivité ionique des polymères conducteurs ioniques tout en maintenant leurs bonnes performances mécaniques. Grâce à la miscibilité de certains IL avec nos réseaux de polymères conducteurs ioniques, nous introduisons deux stratégies distinctes pour concevoir des conducteurs ioniques mécaniquement solides et résistants avec une conductivité ionique élevée à partir des complexes copolymérisés du monomère non polaire MEA et d'autres monomères avec des réseaux pré-étirés.Dans le chapitre 6, nous donnerons une conclusion générale et des perspectives d'avenir basées sur les résultats de cette thèse.

In this manuscript, we focus on the synthesis of solvent-free SICs, and try to answer some questions: (1) how does the ambient humidity affect the electrical and mechanical performance of the previously reported strong ICEs toughened by dynamic bonds? (2) Can we improve the ambient stability of the ionically conductive elastomers by replacing the dry lithium salts with hydrated lithium salts? (3) Is it possible to design SICs that can avoid the tradeoff between ionic conductivity, stiffness, strength, toughness, while providing high elasticity and resistance to fatigue? (4) Can we improve the ionic conductivity of the SICs based on the networks design ideas? Accordingly, we will address all these questions in the separate chapters of this manuscript, respectively.In Chapter 1, we first introduce different types of SICs based on intrinsically stretchable polymer networks and their use. And then, we introduce different methods that can lead to strong and tough SICs. Main issues such as the origins of the tradeoff between the ionic conductivity and mechanical properties will be discussedIn Chapter 2, to gain insights into the influence of ambient moisture on the mechanical and electrical performance of the ICEs, we first prepare different types of lithium-based solvent-free ICEs and compare their mechanical and electrical performances before and after exposing them to ambient air for a prolonged time (up to 96 h).In Chapter 3, to investigate if the ambient stability of the ICEs can be improved by introducing hydrated lithium salts into the polymer networks, we design an ICE system by hydrophobic/hydrophilic integrated design using hydrophobic polymer networks and hydrophilic salt hydrates and investigate their ambient stability.In Chapter 4, to design SICs that can avoid tradeoff issues between ionic conductivity and mechanical performance, we design stiff and rigid polymer networks composed of high and low T_g monomers and swell these networks in the low T_g monomer, followed by a subsequent polymerization after the swelling equilibrium is reached. The resultant material is composed of well crosslinked first networks, sparsely crosslinked matrix networks and Li salt. Therefore, providing increased mechanical performance due to the energy dissipation originated from the sacrificial first networks and high ionic conductivity due to lower T_g that can increase the chain mobility of the networks.In Chapter 5, we focus on the enhancement of ionic conductivity of the ionically conductive polymers while maintain their good mechanical performance. Taking advantage of the miscibility of certain ILs with our ionically conductive polymer networks, we introduce two distinct strategies to design mechanically strong and tough ionic conductors with high ionic conductivity out of the copolymerized complexes of nonpolar monomer MEA and other monomers with pre-stretched networks.In Chapter 6, we will give the general conclusion and future perspectives based on our findings in this thesis.