Thèse en cours

Etude des relations entre la structure et les performances électrochimiques de matériaux MoS2-Ketjenblack pour les batteries lithium-soufre
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Triangle exclamation pleinLa soutenance a eu lieu le 19/12/2023. Le document qui a justifié du diplôme est en cours de traitement par l'établissement de soutenance.
Auteur / Autrice : Célestine Desoeurbrun
Direction : Renaud Bouchet
Type : Projet de thèse
Discipline(s) : 2MGE - Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie
Date : Inscription en doctorat le
Soutenance le 19/12/2023
Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Electrochimie et de Physico-Chimie des Matériaux et des Interfaces.
Jury : Président / Présidente : Jean-Claude Lepretre
Examinateurs / Examinatrices : Renaud Bouchet, Philippe Barboux, Claude Guery
Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Barboux, Claude Guery

Résumé

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Les batteries lithium-soufre (Li-S) sont des technologies de batterie prometteuses pour répondre à la demande croissante de stockage d’énergie. En raison de leur densité d’énergie théorique élevée de 2500 Wh.kg-1 en poids et de 2800 Wh.L-1 en volume [1], elles ont le potentiel de stocker pratiquement 3 fois plus d’énergie que les batteries Li-ion. Cependant, plusieurs défis entravent leur développement commercial. Parmi eux, l’effet de « navette redox » est l’un des principaux inconvénients de la technologie. Cette navette redox consiste en un mouvement d’aller-retour des polysulfures (Li2Sx, 2 < x < 8), composés intermédiaires générés lors de la dissolution du soufre entre les électrodes, entraînant une faible utilisation de soufre actif, une perte d’efficacité coulombique et une rapide dégradation de la capacité électrochimique au cours du temps. Dans la littérature, de nombreuses stratégies ont été proposées pour réduire ce phénomène, allant de l'utilisation de couches passives protectrices du lithium métal (Li), à la fonctionnalisation des séparateurs d'électrolyte, en passant par la conception de nouvelles électrodes positives utilisant des matériaux dont la fonction principale est de capturer efficacement les polysulfures (carbone poreux, structures métallo-organiques, matériaux à base de métaux tels que des oxydes ou des hydroxydes, voire des matériaux sulfures par exemple) [2]. Parmi les solutions proposées, le MoS2 s'est révélé être un bon candidat pour interagir spécifiquement avec les polysulfures [3]. Ce projet de thèse est dédié à la conception d'électrodes positives de batteries Li-S, à base de MoS2-Ketenblack (Mo-KB), pour résoudre le phénomène de « navette redox ». Il vise à mieux comprendre les paramètres jouant un rôle dans le mécanisme de capture des polysulfures afin de concevoir des électrodes positive de Mo-KB optimisées pour i) réduire la diffusion des polysulfures et ii) favoriser leur réduction en Li2S. Différents échantillons de Mo-KB ont été synthétisés en veillant à varier la morphologie, la teneur, et la longueur des feuillets de MoS2 afin de modifier, à la fois, le type et le nombre de sites actifs disponibles et d'étudier l'impact sur les interactions avec les polysulfures et les performances des batteries Li-S qui en résulte. Pour ce faire, une nouvelle méthodologie UV-Vis, utilisant une sonde in situ pour quantifier systématiquement l'adsorption des polysulfures par les matériaux synthétisés, a été développée. En effet, cette méthodologie limite les artefacts générés lors de l’utilisation d’une configuration plus répandue : mesure UV-Vis avec cuvette en quartz. La méthodologie in situ contribue ainsi à comprendre l'effet réel de la nature des adsorbants (MoS2, MoS2-Ketjenblack, silice) sur les phénomènes d'adsorption et comment cela peut modifier la chimie des polysulfures en solution (réactions de dismutation et spéciation). Enfin, les échantillons poreux de Mo-KB, préalablement imprégnées de soufre, ont été intégrées dans la formulation d'électrodes positives Li-S afin d’évaluer leur efficacité d’adsorption et de conversion des polysulfures dans un système réel, au sein de pile-bouton. Des mesures électrochimiques ont été menées afin d’évaluer quantitativement l’impact de ces matériaux sur les performances électrochimiques (capacité, efficacité faradique, puissance, durée de vie du cycle) au fil du temps. References 1. Seh, Z. W., Sun, Y., Zhang, Q. & Cui, Y. Designing high-energy lithium-sulfur batteries. Chemical Society reviews 45, 5605–5634; 10.1039/c5cs00410a (2016). 2. Chen, Y. et al. Advances in Lithium-Sulfur Batteries: From Academic Research to Commercial Viability. Advanced materials (Deerfield Beach, Fla.), e2003666; 10.1002/adma.202003666 (2021). 3. Liu, Y., Cui, C., Liu, Y., Liu, W. & Wei, J. Application of MoS 2 in the cathode of lithium sulfur batteries. RSC Adv. 10, 7384–7395; 10.1039/C9RA09769D (2020).