Thèse en cours

Influence des électrolytes et leurs additifs sur la stabilité d’une électrode Mg et sur les processus interfaciaux dans les batteries Mg-air
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Triangle exclamation pleinLa soutenance a eu lieu le 08/09/2022. Le document qui a justifié du diplôme est en cours de traitement par l'établissement de soutenance.
Auteur / Autrice : Yaqing Zhou
Direction : Jolanta SwiatowskaPhilippe Marcus
Type : Projet de thèse
Discipline(s) : Chimie Physique
Date : Inscription en doctorat le
Soutenance le 08/09/2022
Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Chimie physique et chimie analytique de Paris Centre
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche de Chimie Paris
Equipe de recherche : Physico-Chimie des Surfaces (PCS)
établissement opérateur d'inscription : École nationale supérieure de chimie (Paris)
Jury : Président / Présidente : Nadine Pébère
Examinateurs / Examinatrices : Jolanta Swiatowska, Eric De vito, Cristina Iojoiu, Philippe Marcus
Rapporteurs / Rapporteuses : Eric De vito, Cristina Iojoiu

Résumé

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Le monde a été témoin de la demande croissante de sources d'énergie fiables et sûres à base de combustibles non fossiles avec une grande capacité, une puissance élevée et un faible coût. Parmi les différents nouveaux systèmes de stockage d'énergie, les batteries métal-air ont une plus grande capacité de stockage d'énergie, quelques fois plus que les batteries lithium-ion les plus performantes. Les batteries métal-air telles que les batteries Zn-air, Mg-air et Al-air sont prometteuses pour des applications dans la prochaine génération de véhicules électriques (VE). Parmi les différents types de batteries métal-air, celles à base de Mg ont reçu une attention particulière en raison de leur capacité spécifique théorique élevée (2,2 Ah/g), de leur densité d'énergie spécifique élevée (6,8 kWh/kg), de leur capacité volumétrique élevée en Mg (3833 mAh /cm3), et de leur tension théorique élevée (3,09 V). De plus, en raison de la faible densité de l'anode Mg 1,74 g/cm3, le poids de la batterie peut être considérablement réduit. Le magnésium est également respectueux de l'environnement, non toxique et est le troisième élément le plus abondant. Cependant, dans les électrolytes aqueux, Mg subit une auto-corrosion et une grande quantité de H2 est engendrée. Le faible rendement coulombique et les faibles tensions de fonctionnement sont les principaux inconvénients des batteries Mg-air. De plus, l'effet différentiel négatif, au cours duquel, les courants cathodiques et anodiques augmentent avec le potentiel imposé, accélère la corrosion lors de la décharge des batteries Mg-air et conduit à un dégagement d'hydrogène. Pour surmonter ces problèmes, cette thèse se concentre principalement sur la modification de l'électrolyte pour améliorer les performances de décharge des batteries Mg-air. Les détails sont les suivants : (1) La première partie de ce travail vise à appliquer un électrolyte hybride organique/inorganique à une anode en magnésium pur dans une batterie Mg-air afin de réduire sa corrosion et d'améliorer les performances de décharge associées. Ici, l'effet de différentes fractions d'éthanol dans l'eau avec 0,6 M de NaCl sur le comportement à la corrosion du Mg et les performances de décharge de la batterie a été démontré. Cependant, les meilleures performances de décharge et la durée de vie améliorée de la batterie Mg-air ont été démontrées avec une faible teneur en éthanol de 0,5 % en volume. (2) Dans la deuxième partie, nous avons utilisé un additif dans l'électrolyte aqueux NaCl tel que l'inhibiteur de corrosion 5-S-Sal pour améliorer les performances de décharge de la batterie Mg-air et diminuer les réactions parasites comme la corrosion de l'anode Mg. Il a été démontré que l'enrichissement de la surface en espèces sulfures provenait d’inhibiteur ayant un effet décroissant important sur la corrosion du Mg et ralentissant l'évolution de H2. La tension de décharge de la batterie Mg-air complète passe de ~1,58 V à ~1,82 V à une densité de courant de 0,5 mA/cm2. (3) Dans la troisième partie, le NaCl a été remplacé par du NaNO3 et des traces d'acide acétique comme inhibiteurs ont été utilisées dans l’electrolyte. Les batteries Mg-air résultantes basées sur un électrolyte optimisé ont amélioré la tension de décharge atteignant ~ 1,8 V à une densité de courant de 0,5 mA/cm2 et ont considérablement prolongé la durée de vie à plus de 360 heures par rapport à seulement ~ 17 heures dans l'électrolyte NaCl. Les études de la composition chimique et de la morphologie des produits de corrosion ont permis une analyse approfondie du mécanisme de fonctionnement de l'anode Mg dans cet électrolyte optimisé. L'XPS et le ToF-SIMS ont été utilisés pour analyser la composition du film de surface ainsi que du SEM combiné à la microscopie électronique à transmission pour clarifier les changements de morphologie de la couche de surface en fonction de l'ajout d'acide acétique.