Approches de modélisation pour la conception et le développement de matériaux d'électrodes organiques pour batteries

Modelling approaches for the design and development of organic electrode materials for batteries

• Auteur / Autrice : Fanny Lambert
• Direction : Alejandro Franco, Christine Frayret
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Chimie-Chimie des Solides et Sciences des Matériaux-25DCH1
• Etablissement(s) : Amiens
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences, Technologie, Santé
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LRCS - Laboratoire de Réactivité et de Chimie des Solides
• Jury : Président / Présidente : Philippe Poizot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alejandro Franco, Christine Frayret, Julien PILMé, Vincent Tognetti, Carlo Gatti
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Julien PILMé, Vincent Tognetti

Mots clés

Mots clés libres

Matériaux d'électrodes organiques

Batteries éco-conçues

Modélisation par calculs DFT et CGMD

Analyse de structure électronique

Relations structure-propriétés

Organic electrode materials

Eco-friendly batteries

DFT and CGMD modelling

Electronic structure analysis

Structure-property relationships

Résumé

Les électrodes organiques représentent une alternative intéressante aux composés inorganiques classiquement utilisés dans les batteries et présentent de nombreux avantages, notamment l’emploi de molécules naturellement abondantes (extraction possible à partir de la biomasse), non toxiques et facilement recyclables. Au niveau de la recherche de nouveaux matériaux actifs au plan redox, capables de constituer des électrodes organiques pour ces dispositifs, diverses classes de composés ont déjà été identifiées en tant que candidats prometteurs. Néanmoins, ce domaine de recherche demeure actif et l’espace au sein duquel l’identification de cette catégorie de matériaux peut être réalisée reste extrêmement vaste, laissant ainsi une place conséquente à de nombreuses nouvelles investigations. En complément des travaux expérimentaux qui ont permis pour l’heure et continuent de révéler les principales familles susceptibles d’atteindre des performances intéressantes, des études computationnelles peuvent également être impliquées à plusieurs niveaux. Dans ce contexte, des travaux de modélisation ont été initiés, notamment à l’échelle microscopique par des calculs basés sur la théorie de la fonctionnelle de la densité électronique (DFT) en vue de prédire les propriétés électrochimiques de composés organiques susceptibles de constituer des matériaux d'électrodes pour batteries. Les investigations ont été réalisées sur diverses familles incluant des variations stratégiques au plan structural, via les changements de familles, des fonctionnalisations, la présence d’hétéroatomes au sein de cycles, etc. en vue de sonder finement les mécanismes mis en jeu et dans l’optique d’une compréhension des relations structures-propriétés mises en œuvre. L’étude approfondie de la structure électronique réalisée de façon systématique en faisant appel à divers indicateurs permet d’entrevoir une lecture éclairée des divers phénomènes mis en jeu et des facteurs clés qu’il convient d’impliquer ou de moduler en vue de moduler le potentiel redox et/ou le gap entre orbitales frontières. Au-delà de ces études réalisées par des approches de chimie quantique, la simulation du processus de fabrication d’une électrode organique a été réalisée, permettant de valider la transposition d’un modèle mésoscopique faisant appel à une méthodologie Coarse Grained Molecular Dynamic, établi initialement pour les électrodes inorganiques, aux cas des électrodes organiques.

Organic electrodes are an attractive alternative to the inorganic compounds conventionally used in batteries and have many advantages, including the use of naturally abundant molecules (which can be extracted from biomass), these latter being non-toxic and are easily recyclable. With regard to the search for new redox-active materials capable of constituting organic electrodes for these devices, various classes of compounds have already been identified as promising candidates. Nevertheless, this area of research remains active and the space in which the identification of this category of materials can be carried out remains extremely large, thus leaving room for many new investigations. In addition to the experimental work that has so far revealed and continues to reveal the main families likely to achieve interesting performances, computational studies can also be involved at several levels. In this context, modelling work has been initiated, particularly at the microscopic scale, by calculations based on the density functional theory (DFT) in order to predict the electrochemical properties of organic compounds likely to constitute battery electrode materials. Studies have been conducted on various families, including strategic variations at the structural level, via family changes, functionalizations, the presence of heteroatoms in the rings, etc. in order to probe in detail the mechanisms involved and to understand the structure-properties relationships implemented. The in-depth study of the electron structure carried out in a systematic manner using various indicators allows us to glimpse an enlightened reading of the different phenomena characterizing such materials and the key factors that should be involved or modulated in order to modulate their redox potential and/or the gap between the boundary orbitals. In addition to these studies using quantum chemistry approaches, the simulation of the manufacturing process of an organic electrode was carried out, allowing to validate the transposition of a mesoscopic model using a coarse-grained molecular dynamics methodology, initially established for inorganic electrodes, in the case of organic electrodes.