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Theses Year : 2023

Development of negative TiO2-based electrodes by soft chemistry for aqueous proton ions batteries

Développement d'électrodes négatives à base de TiO2 par chimie douce pour batteries aqueuses protoniques

Abstract

Green batteries that are safe, made of readily available and ethically sourced resources, cost-effective and easy to manufacture are needed. Lithium-ion technology, which uses Li-based materials and toxic flammable solvents, does not currently meet all of these criteria. With this in mind, we propose a complementary solution to Li-ion batteries in the form of an aqueous proton-ion battery. The primary challenges posed by aqueous batteries stem from their low energy density, which is the result of the restricted electrochemical stability window of water. This limitation narrows the field of candidates capable of intercalating protons without triggering parasitic reactions such as the hydrogen evolution reaction (HER). TiO2 materials present an intriguing option for use as a negative electrode for proton insertion. The chemical structure synthesized in solvothermal condition has been modified to achieve three distinct compounds: a layered, amorphous lepidocrocite type titanate sample further optimized with zinc ions chemically incorporated into its interlayer, a cationic defective anatase, and a stoichiometric anatase. The electrochemical analysis of the zinc-optimized layered titanate and defective anatase samples, and their integration as negative electrodes in full-cell conditions, demonstrates promising characteristics with notably, an extended potential window and heightened reversible proton capacity. These results were correlated to the materials characterization and the effect on proton transport.
Des batteries vertes qui sont sûres, fabriquées à partir de ressources facilement disponibles et éthiquement sourcées, rentables et faciles à fabriquer sont nécessaires. La technologie lithium-ion, qui utilise des matériaux à base de Li et des solvants inflammables toxiques, ne répond pas actuellement à tous ces critères. Dans cette optique, nous proposons une solution complémentaire aux batteries Li-ion sous la forme d'une batterie proton-ion aqueuse. Les principaux défis posés par les batteries aqueuses proviennent de leur faible densité énergétique, dû à la fenêtre de stabilité électrochimique restreinte de l'eau. Cette limitation réduit le champ des candidats capables d'intercaler des protons sans déclencher des réactions parasites telles que la réaction d'évolution de l'hydrogène (HER). Les matériaux TiO2 présentent une option intéressante pour être utilisés comme électrode négative pour l'insertion de protons. La structure chimique synthétisée en condition solvothermale a été modifiée pour obtenir trois composés distincts : un échantillon titanate de type lépidocrocite amorphe disposé en feuillet, qui a été optimisé par la suite avec des ions zinc chimiquement incorporé dans son interfeuillet, un anatase avec des défauts cationiques et un anatase stœchiométrique. L'analyse électrochimique des échantillons de titanate en feuillet optimisé au zinc et d'anatase défectueux, et leur intégration en tant qu'électrodes négatives dans des conditions de cellule complète, montre des caractéristiques prometteuses avec notamment, une fenêtre de potentiel étendue et une capacité réversible de protons accrue. Ces résultats ont été corrélés à la caractérisation des matériaux et à l'effet sur le transport des protons.
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Dates and versions

tel-04452003 , version 1 (12-02-2024)

Identifiers

  • HAL Id : tel-04452003 , version 1

Cite

Milad Toorabally. Development of negative TiO2-based electrodes by soft chemistry for aqueous proton ions batteries. Material chemistry. Sorbonne Université, 2023. English. ⟨NNT : 2023SORUS496⟩. ⟨tel-04452003⟩
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