Recherche Avancée

Thèse en cours

Vers une electrode organique sans carbone conducteur pour les batteries lithium-ion

FR  |  
EN
Auteur / Autrice : Vincent Pignier
Direction : Matthieu Becuwe, Redouane Douali
Type : Projet de thèse
Discipline(s) : Physique milieux denses, matériaux et composants
Date : Inscription en doctorat le 03/12/2020
Etablissement(s) : Littoral
Ecole(s) doctorale(s) : Sciences, Technologie, Santé
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : UDSMM - Unité de Dynamique et Structure des Matériaux Moléculaires

Résumé

FR  |  
EN

1) Objectifs scientifiques/problématique de recherche : Le sujet de thèse proposé traite de l'amélioration des performances des batteries organiques à ions lithium en vue de la réduction de l'empreinte environnementale des accumulateurs; il s'agit d'optimiser le transport des porteurs de charges dans ces dispositifs en intégrant des matériaux organiques originaux. Pour ce faire, on se propose d'utiliser molécules discotiques. Ces matériaux présentent des propriétés d'autoassemblage et l'empilement des molécules donne lieu à des propriétés de transport de charges intéressantes. Le transport des charges dans ces matériaux dépend de la nature de la molécule (riche ou déficiente en électrons) et de la phase cristallographique (hexagonale, plastique rectangulaire, etc.). Dans les phases dites colonnaires, le transport de charge est quasi unidimensionnel; il s'effectue à travers les colonnes par saut des porteurs (hopping) et l'anisotropie électrique est très élevée (rapport des conductivités σ∥/σ⊥ de l'ordre de 10E11). Ces propriétés seront mises à profit afin d'améliorer la conductivité des électrodes organiques dans les batteries à ions lithium qui limite actuellement la commercialisation de ces dispositifs malgré leurs nombreux avantages (nécessitent moins d'énergie à produire, plus facilement recyclables,…). De plus, l'emploi de matériaux très conjugués comme socle des fonctions électroactives pourra également amener à une nouvelle progression des propriétés de puissance des matériaux sur la base des résultats obtenus ces dernières années sur ce type de composés. 2) Positionnement par rapport à l'état de l'art: Le domaine des batteries organiques capitalise aujourd'hui plus d'une dizaine d'années de recherche qui laisse entrevoir de nombreuses opportunités essentiellement orientées vers l'allégement du poids et possiblement du coût mais aussi et surtout de l'empreinte environnementale liée à la production jusqu'au recyclage des matériaux d'électrodes. Le récent article de Yan Yao (Professeur à l'université de Houston) positionne très bien cette technologie dans le panel global en terme de capacité de stockage (entre les matériaux inorganiques classiques et le Li/S) et justifie amplement que l'on s'attache à développer ce type de matériaux pour relâcher la pression exercée sur les matériaux minéraux employés dans les accumulateurs actuels.[1] Même si les performances de cette famille de matériaux restent toujours inférieures par rapport aux systèmes actuels, l'engouement de la communauté scientifique dans cet axe a amené à de nombreux progrès. Ainsi, on peut citer l'augmentation des potentiels redox qui étaient situés en moyenne à 2,5V (vs Li+/Li) en 2013 et qui ont atteint cette année une moyenne de 3,5V (vs Li+/Li). Cette nette amélioration a été rendue possible grâce à des matériaux comme les phénothiazines [2], les phénazines [3], les thianthrènes [4]. Elle a été possible aussi en modulant le potentiel redox des sondes classiquement employées [5–8]. Outre le potentiel redox, les performances globales ont aussi nettement progressé. Les capacités gravimétriques peuvent atteindre aujourd'hui des valeurs plus élevées comme par exemple avec les Triptycenes (Cexp=387 mAh.g-1) [9] ou encore avec des molécules contenant des fragments alcynes (Cexp=1363 mAh.g-1) [10] respectivement employés comme électrode positive et électrode négative. La puissance des matériaux a également été améliorée aussi bien pour l'électrode positive [11] que pour l'électrode négative avec notamment les travaux menés sur l'extension de la conjugaison pour les carboxylates de lithium [12–15]. A ce jour, le point faible de cette famille de composés est la faible densité d'énergie des électrodes. Ce point crucial doit être amélioré pour inscrire sur le long terme cette démarche et avoir un réel impact sur l'empreinte environnementale des accumulateurs. Les plus faibles capacités de stockage s'expliquent par la forte proportion de « masse morte » provenant majoritairement de l'additif conducteur carboné allant de 30 à 70% selon les matériaux. Sur la base sur ce constat, la réduction de cette masse morte permettrait d'améliorer la compétitivité de ces matériaux, d'atteindre les limites du design moléculaire et rendrait l'alternative organique viable commercialement. Plusieurs approches différentes comme la diminution de la taille des particules ou le changement d'additif conducteur sont envisageables pour améliorer ce point. Cependant, une approche plus originale consiste à rendre ces matériaux directement conducteurs en travaillant le design du matériau. C'est ce qui est proposé ici, avec l'assemblage de molécules discotiques électroactives sous la forme d'une phase colonnaire de type Cristaux liquides. 3) Approche / Méthodologie: Dans le cadre de ce sujet de thèse, on se propose d'utiliser des CLCs à gros noyaux, comme le Hexa-peri-Hexabenzocoronene (HBC), le coronène, le pérylène, le triazatruxène et le triphénylène. Ces molécules présentent des propriétés d'autoassemblage via l'empilement π-π et les mobilités des porteurs de charges sont élevées (10-2-10-4 cm2/V.s). Les distances inter et intra-colonnaire sont de l'ordre de 20-40 A° et 3- 4 A° respectivement [16-18]. Le transport rapide des porteurs de charges et la décharge lente due à un faible transfert de charge intramoléculaire font des CLC des matériaux potentiels pour le stockage d'énergie. Pour en faire un matériau de stockage d'énergie parfait, nous proposons une approche interdisciplinaire consistant à attacher des ions/porteurs de lithium aux chaînes périphériques du CLC via un réseau conjugué [15, 16]. Cette approche a été développée au sein du laboratoire LRCS (UPJV) pour synthétiser des carboxylates de lithium conjugués utilisées comme matériaux organiques d'électrodes pour les batteries Li-ion [15]. D'autres travaux ont également été menés sur la réduction proton in-situ des acides carboxyliques [19]. L'objectif principal de ce sujet de thèse est de combiner la mobilité élevée des porteurs de charges dans les CLC et les propriétés électrochimiques des matériaux 2D porteurs de de lithium. Les CLCs greffées auraient une conductivité électrique élevée et conviendraient au stockage d'énergie. En résumé, ce projet concerne l'autoassemblage de porteur de Li+ par greffage sur des CLCs à base de Hexa-peri-Hexabenzocoronene (HBC), et la caractérisation de ces matériaux pour le stockage d'énergie.