Élaboration de matériaux à base de carbone greffés par des liquides ioniques

Development of carbon-based materials grafted by ionic liquids

• Auteur / Autrice : Alexandros Ploumistos
• Direction : Laurent Gaillon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 26/04/2022
• 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 : Physicochimie des électrolytes et nanosystèmes interfaciaux (Paris ; 2014-....)
• Jury : Président / Présidente : Corinne Lagrost
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Aminou Mohamadou, Virginie Lair
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Petra Rudolf, Fabien Miomandre

Mots clés

Mots clés contrôlés

Liquides ioniques

Anodes

Dioxyde d'étain

Oxyde de graphène

Batteries lithium-ion

Mots clés libres

Li-ion

Étain

Liquide ionique

Oxyde de graphène

Li-ion

Tin

Ionic liquid

Résumé

L'étain et ses oxydes, SnO et SnO2, ont été proposés et étudiés comme matériaux potentiels d’anode dans les batteries Li-ion, en raison de leurs capacités gravimétriques théoriques supérieures à celles du graphite (372 mAh/g), estimées de ~993 mAh/g, ~875 mAh/g et ~782 mAh/g, respectivement. Cependant, une anode en étain augmente trois fois de volume lors du passage de l'état déchargé à l'état chargé, ce qui entraîne des défaillances catastrophiques. Ce travail visait à combiner les interactions favorables découvertes au cours de la synthèse des nanoparticules (NPs) d'étain dans le liquide ionique EMI+TFSI- entre la paire d'ions et les nanoparticules en formation, comme moyen de stabiliser l'étain pendant le fonctionnement d'une batterie Li-ion. Le cation EMI+ a été greffé sur une matrice d'oxyde de graphène (GO), avec l'anion TFSI- lié électrostatiquement à celui-ci. L'oxyde de graphène a été synthétisé par une méthode d'oxydation de Hummer modifiée et le cation EMI+ auquel a été ajouté une fonction amine, a été greffé par une réaction d'ouverture de cycle époxyde. L'ajout de NPs d'étain, préparées par co-broyage de poudre d'étain micrométrique avec de l'oxyde de graphène, a complété le matériau composite ternaire. Le matériau a été structuré en 3D par freeze-casting de suspensions d'oxyde de graphène fonctionnalisé, mélangé à des NPs de Sn, sous forme de mousse autoportante, prête à être utilisée comme électrode après recuit thermique, sans ajout de composants étrangers. Cependant, les résultats préliminaires suggèrent que la fonctionnalisation du GO avec le liquide ionique augmente le potentiel du matériau par rapport au Li+/Li, diminuant ainsi sa capacité utile.

Tin and its oxides, SnO and SnO2 have been proposed and studied extensively as potential anode materials in Li-ion batteries, due to their theoretical capacities being superior to that of graphite (372 mAh/g). The estimated gravimetric capacities for Sn, SnO and SnO2 are ~993 mAh/g, ~875 mAh/g and ~782 mAh/g respectively. However, a tin anode increases three times in volume when going from the discharged to its charged state, resulting in catastrophic failures. This work aimed to combine the favorable interactions that were discovered in the course of the synthesis of tin nanoparticles in the EMI+TFSI- ionic liquid between the ion pair and the forming nanoparticles, as a means of stabilizing tin during the operation of a Li-ion battery. To do so, the EMI+ cation of the ionic liquid was grafted on a graphene oxide matrix, with the TFSI- anion electrostatically bound to it. Graphene oxide was synthesized via a modified Hummer’s oxidation method and the EMI+ cation with an amino group added to it was grafted via an epoxide ring-opening reaction. The addition of tin nanoparticles, prepared by co-milling micrometric tin powder with graphene oxide in a planetary ball mill, completed the ternary composite material. The material was 3D structured by freeze-casting suspensions of ionic-liquid-functionalized graphene oxide, mixed with Sn NPs, as a self-supporting foam, ready to use as an electrode after thermal annealing, without the addition of any binders or other extraneous components. However, preliminary results suggest that the functionalization of graphene oxide with the ionic liquid increases the potential of the material vs. Li+/Li, diminishing its usable capacity.