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Thèse Année : 2022

Aqueous Zn-MnO2 batteries : mechanistic studies and development paths for reversible high-energy devices

Batteries aqueuses Zn-MnO2 : études mécanistiques et pistes de développement pour des dispositifs réversibles à haute énergie

Ivette Aguilar
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1243917
  • IdRef : 268873895

Résumé

Li-ion batteries are prominent in the portable electronics market due to their high energy density and long lifetime. However, their durability still needs to be improved. In this respect, there is a growing interest in aqueous batteries. For example, considerable efforts are being devoted to make alkaline Zn-MnO2 batteries rechargeable. This is proving to be a daunting task due to the complex chemistry of the Zn-MnO2 system, which, despite decades of research, is not yet fully rationalised, resulting in a delay in its practical deployment. In this work, we will re-examine these devices by analytical techniques such as transmission electron microscopy, Raman spectroscopy, quartz crystal microbalance and optical reflectometry, while considering fundamental aspects of solution chemistry. By assembling cells with different positive electrode compositions, we confirm the key role of the electrolyte and the inseparable link between its pH and the electrochemical response of the system. Furthermore, during discharge and charge, we provide experimental evidence for the formation of soluble zinc hydroxides near the cathode-electrolyte interface, responsible for the chemical precipitation of the Zn4(OH)6 SO4.xH2O phase. We also show the importance of these equilibria for the functioning of the system. Inspired by the work presented by Yamamoto in 1986, we also carried out an optimisation study that allowed us to develop cells with high gravimetric capacity and high capacity retention. The set of findings presented provide new perspectives for the development of low cost, high performance rechargeable aqueous batteries.
Les batteries Li-ion occupent une place prédominante sur le marché de l'électronique portable en raison de leur densité d'énergie élevée et de leur durée de vie importante. Cependant, leur durabilité doit encore être améliorée. Dans cette optique, on constate un intérêt croissant pour les batteries aqueuses. Des efforts considérables sont par exemple déployés pour rendre rechargeables les piles alcalines Zn-MnO2. Cela s'avère être une tâche colossale en raison de la complexité de la chimie du système Zn-MnO2 qui, malgré plusieurs décennies de recherches, n'est pas encore entièrement rationalisée, entrainant un retard dans son déploiement pratique. Dans ce travail, nous réétudierons ces dispositifs par des techniques analytiques telles que la microscopie électronique en transmission, la spectroscopie Raman, la microbalance à quartz et la réflectométrie optique, tout en considérant des aspects fondamentaux de la chimie des solutions. Par l'assemblage de cellules avec différentes compositions d’électrode positive, nous confirmons le rôle clé de l'électrolyte ainsi que le lien indissociable entre son pH et la réponse électrochimique du système. De plus, au cours de la décharge et de la charge, nous fournissons des preuves expérimentales de la formation d'hydroxydes de zinc solubles près de l’interface cathode-électrolyte, responsables de la précipitation chimique de la phase Zn4SO4(OH)6.xH2O. Nous montrons également l’importance de ces équilibres pour le fonctionnement du système. Inspiré des travaux présentés par Yamamoto en 1986, nous avons également mené un travail d’optimisation qui nous a permis de développer des cellules avec une capacité gravimétrique importante et une rétention de capacité élevée. L’ensemble de conclusions présentées fournissent de nouvelles perspectives pour le développement de batteries aqueuses rechargeables à faible coût et à haute performance.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04055772 , version 1 (03-04-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04055772 , version 1

Citer

Ivette Aguilar. Batteries aqueuses Zn-MnO2 : études mécanistiques et pistes de développement pour des dispositifs réversibles à haute énergie. Autre. Sorbonne Université, 2022. Français. ⟨NNT : 2022SORUS506⟩. ⟨tel-04055772⟩
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