Préparation et évaluation d’électrolyte solide organique à base de polymères organiques poreux pour l’assemblage de batterie tout solide tout organique

Preparation and evaluation of organic solid electrolyte based on porous organic polymers for the assembly of all-solid-state all-organic batteries

• Auteur / Autrice : Boris Irie-bi
• Direction : Matthieu Becuwe, Franck Dolhem
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Chimie-Chimie Moléculaire-25DCH4
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 30/05/2023
• Etablissement(s) : Amiens
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, technologie et santé (Amiens)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Glycochimie et des Agroressources d'Amiens
• Jury : Président / Présidente : Véronique Bonnet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Matthieu Becuwe, Franck Dolhem, Nathalie Steunou, Joel Lyskawa, Steven Renault, Rémi DEDRYVèRE
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Joel Lyskawa, Rémi DEDRYVèRE

Mots clés

Mots clés libres

Réseau covalent organique

Batterie tout solide

Électrolyte solide

Solid state electrolyte

Covalent organic frameworks

Solid state battery

Résumé

Les batteries tout solide organique sont une technologie de stockage d'énergie émergente qui utilise des électrolytes solides organiques au lieu d'électrolytes liquides pour transporter les ions entre les électrodes de la batterie. Les électrolytes solides organiques peuvent offrir plusieurs avantages par rapport aux électrolytes liquides, notamment une sécurité accrue, une densité d'énergie plus élevée, une durée de vie plus longue et une plus grande stabilité à haute température. Parmi ces électrolytes solides organiques, les COFs, ou réseaux covalents organiques, sont des polymères cristallins avec une grande porosité, une grande surface spécifique et une faible densité. Ils sont devenus très attractifs pour le stockage de l'énergie et ont été récemment testés en tant qu'électrolytes solides pour les batteries Li-ion, offrant une perspective d'amélioration de leur sécurité et de leur efficacité. Les COFs ont de nombreux avantages en tant qu'électrolytes solides, notamment leur grande stabilité chimique et thermique, leur conductivité ionique élevée et leur capacité à transporter des ions lithium de manière réversible. Ce manuscrit présente le développement de matériaux d'électrolyte solide à partir de COFs. Nous avons concentré notre étude sur les électrolytes solides COFs à base de bore et leur capacité, à travers des interactions, de dissocier les sels de lithium pour faciliter la conduction des ions lithium à travers les canaux formés par les pores. Nous rapportons ici un nouvel électrolyte solide COF à base de bore préparé par imprégnation de sels de lithium dans le COF-5. Après le contrôle de la proportion de sel de lithium, il a été possible d'obtenir une conductivité ionique de 6,02 x 10-5 S/cm, un nombre de transport proche de 1 et une stabilité vis-à-vis du lithium métal. D'autre part, en vue d'une meilleure compréhension des résultats obtenus, nous avons synthétisé d'autres électrolytes solides COFs à base de bore en utilisant la même méthode d'imprégnation avec le sel de lithium performant. Nous avons ensuite comparé les performances de ces COFs à celles de l'électrolyte solide COF-5 précédemment étudié, en analysant l'impact de la taille des pores et du type de liaison de bore sur leurs performances. Ce travail s'est donc conclu par l'identification de certains paramètres pour l'utilisation de COFs en tant qu'électrolyte solide, avec pour procédé de fabrication la technique d'imprégnation.

Organic all-solid-state batteries are an emerging energy storage technology that uses solid organic electrolytes instead of liquid electrolytes to transport ions between battery electrodes. Solid organic electrolytes offer several advantages over liquid electrolytes, including increased safety, higher energy density, longer lifespan, and greater stability at high temperatures. Among these solid organic electrolytes, covalent organic frameworks (COFs) are crystalline polymers with high porosity, large surface area, and low density. They have become very attractive for energy storage and have recently been tested as solid electrolytes for Li-ion batteries, offering the prospect of improving their safety and efficiency. COFs have many advantages as solid electrolytes, including their high chemical and thermal stability, high ionic conductivity, and ability to reversibly transport lithium ions. This manuscript presents the development of solid electrolyte materials based on COFs. We focused our study on boron-based COF solid electrolytes and their ability, through dissociative interactions, to facilitate the conduction of lithium ions through the channels formed by the pores. We report a new boron-based COF solid electrolyte prepared by impregnating lithium salts into COF-5. After controlling the proportion of lithium salt, it was possible to obtain an ionic conductivity of 6.02 × 10-5 S/cm, a transport number close to 1, and stability towards metallic lithium. In addition, in order to better understand the results obtained, we synthesized other boron-based COF solid electrolytes using the same impregnation method with the efficient lithium salt. We then compared the performance of these COFs to that of the previously studied COF-5 solid electrolyte, analyzing the impact of pore size and boron linkage type on their performance. This work concludes with the identification of certain parameters for the use of COFs as solid electrolytes with the impregnation technique as the fabrication process.