Thèse en cours

Formulations d'électrolyte pour les batteries Zinc-Air

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Auteur / Autrice : Mathieu Freville
Direction : Annie Colin
Type : Projet de thèse
Discipline(s) : Physique et chimie des matériaux
Date : Inscription en doctorat le 01/10/2022
Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris ; 2000-....)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Chimie Biologie et Innovation
établissement opérateur d'inscription : Ecole supérieure de physique et de chimie industrielles de la Ville de Paris (1882-....)

Résumé

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Les ressources énergétiques durables intermittentes telles que l'énergie éolienne, marémotrice et solaire sont cruciales pour atténuer la crise énergétique mondiale potentielle, mais elles nécessitent des technologies de stockage électrochimique de l'énergie fiables, peu coûteuses et à longue durée de vie. Les batteries aqueuses telles que les batteries zinc-air sont des alternatives prometteuses. Elles utilisent des électrolytes à base d'eau peu coûteux. Elles sont faciles à entretenir et plus sûres. Les systèmes zinc/air présentent certains avantages particuliers, notamment la grande abondance naturelle de zinc, la facilité d'extraction, la non-toxicité et la stabilité suffisante du zinc métallique dans l'eau sous de faibles potentiels redox. Les électrolytes aqueux à haute conductivité ionique ont des capacités de charge élevées et conviennent au stockage stationnaire sur réseau. Cependant, l'électrode de zinc souffre de problèmes critiques tels que la passivation, la croissance de dendrites et la réaction d'évolution de l'hydrogène, ce qui limite les applications pratiques en affaiblissant les performances de décharge et en réduisant la durée de vie des batteries zinc-air rechargeables. Il est nécessaire de traiter ces problèmes en même temps car ils sont corrélés et les solutions apportées à l'un peuvent aggraver les autres. Par exemple, l'utilisation d'un électrolyte fortement alcalin permet d'éviter le problème de la passivation car l'oxyde de zinc est très soluble à pH élevé, mais laisse entier le problème de la corrosion due à la réaction d'évolution de l'hydrogène. Une approche possible est de coupler les inhibiteurs de corrosion tels que le PEG, le tween 20 ou l'imidazole avec des surfactants qui évitent la passivation des électrodes. Il n'est en effet pas possible dans le cadre des inhibiteurs de corrosion d'utiliser des pH très alcalins qui limitent la passivation. Ce deuxième point doit être résolu en même temps que le premier. Le site formation de dendrites sera limitée par l'utilisation d'un flux ou par des inhibiteurs de croissance tels que la polyéthylèneimine. Le flux va permettre d'homogénéiser la concentration des réactifs, d'éliminer les bulles d'oxygène et à haut courant [1], de limiter les instabilités d'électro-convection qui renforcent la formation des dendrites. Ce travail nécessite le développement de formulations complexes qui requièrent un grand nombre de réalisations expérimentales. Pour répondre à cette problématique, nous proposons d'utiliser des techniques à haut débit telles que la robotique et la microfluidique pour tester un grand nombre de formulations sur des électrodes qui seront préparées en série. Des diagrammes de fonctionnement seront établis et nous essaierons de corréler la structure des molécules avec l'effet désiré.