Matériaux Lamellaires pour le développement de dispositifs avancés pour le stockage de l'énergie - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2023

Layered Materials for advanced energy storage devices

Matériaux Lamellaires pour le développement de dispositifs avancés pour le stockage de l'énergie

Julien Sarmet
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1357552
  • IdRef : 276046250

Résumé

The median scenario for global electricity demand is based on a 35% increase in demand. It is therefore necessary to develop new means of energy storage to regulate, for example, the network tensions generated by this exponential demand.This thesis presented here focuses on the development of new advanced energy devices: power batteries. It is the fruit of a consortium between the various participants in the ANR-funded "LaDHy" project, namely the Clermont-Ferrand Institute of Chemistry (ICCF), the Nantes Jean Rouxel Materials Institute (IMN) and EDF.Nowadays, existing devices are made from toxic, non-renewable and expensive materials (cobalt, lithium) that do not meet the green chemistry criteria advocated by society. Combined with the increasing scarcity of resources and geopolitical crises, the development of new materials for energy storage is a key strategic issue. The aim of this project is to develop power batteries in aqueous media based on layered materials such as double or single layered hydroxides (LDH or LSH). These materials have a number of advantages as versatility of composition of the layers and the inter-layer space, low toxicity, can be synthesized in the laboratory using soft chemistry, low cost of synthesis, reproducible and scale-up possible. These phases have already been studied for electrochemical storage, but there are still many unexplored ways, such as the use of new electrochemically active cations or the intercalation of a redox species between the layers.The first chapter is devoted to a literature review of the various energy storage methods, their how it works, their composition, advantages and disadvantages.In the second chapter, the possibility of using copper-based LDHs as electrode materials will be studied. After a bibliographical introduction, different compositions and synthesis parameters will be tested. The electrochemical characteristics of the electrode materials will be described and compared as a function of their morphology, size and porosity. The aim will also be to gain a better understanding of the structural changes that occur during cycling, leading to capacity losses.In the third chapter, the intercalation of electroactive molecules within non-electrochemically active LDH phases of the Mg-Al and Zn-Al type was carried out. The aim of this part will be to intercalate molecules with a redox potential that can be used as a positive or negative electrode. The study of electrochemical phenomena in an aqueous medium, as well as the release and its understanding, will be analyzed. The first complete two-electrode LDH-organic molecule composite cell will be produced in an aqueous electrolyte and new electrolytes, such as ionic liquids, will be tested by the IMN team.In a fourth chapter, the impact of different synthesis methods on the electrochemical properties of copper layered simple hydroxides (LSH) will be studied. The impact of morphology and nanostructuring on the capacities at first cycle and during cycling will be studied as well as the changes in structures and phases using a multi-technics approach. In addition, the intercalation of electroactive molecules within HDL phases will be studied.Finally, in the last chapter, the copper LSH phases used as a template for the synthesis of CuS will be analyzed by means of a study of the transformation kinetics. The phases resulting from these syntheses will be tested electrochemically and compared with values reported in the literature and with commercial grades.
Le scénario médian pour la demande d'électricité mondiale se base sur une hausse de 35% de la demande. Il est donc nécessaire de développer des nouveaux moyens de stockage de l'énergie pour réguler par exemple les tensions de réseaux engendrées par cette demande exponentielle.Le travail de thèse présenté ici porte sur le développement de nouveaux dispositifs avancés de l'énergie : les batteries de puissance. Il est le fruit d'un consortium entre les différents acteurs du projet financé par l'ANR « LaDHy » que sont, l'Institut de Chimie de Clermont-Ferrand (ICCF), l'Institut des matériaux de Nantes Jean Rouxel (IMN) et la société EDF.Actuellement, les dispositifs existants sont composés de matériaux toxiques, non renouvelables et onéreux (cobalt, lithium) ne répondant pas aux critères de chimie verte prônés par la société. Combinés avec la raréfaction des ressources ainsi que les crises géopolitiques, l'enjeu du développement de nouveaux matériaux pour le stockage de l'énergie est un des points stratégiques importants. L'objectif porté par ce projet est de développer des batteries de puissance en milieu aqueux à base de matériaux lamellaires du type Hydroxydes doubles ou simples lamellaires (HDL ou LSH). Ces derniers possèdent de nombreux avantages comme une versatilité de composition des feuillets et de l'espace interfeuillet, une faible toxicité, synthétisables en laboratoire par chimie douce, un faible coût de synthèse, reproductible et un scale-up possible).L'étude de ces phases pour le stockage électrochimique a déjà été appréhendée mais les pistes encore non explorées restent encore nombreuses comme celle de l'utilisation de nouveaux cations électrochimiquement actifs ou bien celle qui consiste à intercaler une espèce redox entre les feuillets.Le premier chapitre est consacré à une synthèse bibliographique des différents modes de stockage de l'énergie, leurs fonctionnements, compositions, avantages et inconvénients.Dans le second chapitre, la possibilité d'utiliser les HDL à base de cuivre en tant que matériaux d'électrodes sera étudiée. Après une introduction bibliographique, différentes compostions et paramètres de synthèse seront testés. Les caractéristiques électrochimiques des matériaux d'électrodes seront décrites et comparées en fonction de leur morphologie, de leur taille, ainsi que de leur porosité. Il s'agira aussi de mieux comprendre les changements structuraux intervenant au cours du cyclage engendrant des pertes de capacité.Dans le troisième chapitre, l'intercalation de molécules électroactives au sein des phases HDL du type Mg-Al et Zn-Al non électrochimiquement actives a été réalisée. L'objectif de cette partie sera d'intercaler des molécules possédant un potentiel redox applicable en tant qu'électrode positive ou négative. L'étude des phénomènes électrochimique en milieu aqueux, de relargage ainsi que sa compréhension seront analysés. La première cellule complète à deux électrodes composites HDL-molécule organique sera réalisée en électrolyte aqueux et de nouveaux électrolytes, tels que les liquides ioniques seront testés par l'équipe de l'IMN.Dans un quatrième chapitre, l'impact de différents modes de synthèse sur les propriétés électrochimiques des hydroxydes simples lamellaire (LSH) au cuivre sera étudié. L'impact de la morphologie et la nanostructuration sur les capacités au premier cycle et au cours du cyclage seront étudiés ainsi que les changements de structures et de phases par une approche une nouvelle fois multi-techniques. De plus l'étude de l'intercalation des molécules électroactives au sein des phases HDL sera menée.Enfin, dans le dernier chapitre, les phases LSH au cuivre comme gabarit pour la synthèse de CuS seront analysées par une étude sur les cinétiques de transformation. Les phases issues de ces synthèses seront testées en électrochimie et seront comparées aux valeurs relevées dans la littérature et aux grades commerciaux.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04480219 , version 1 (27-02-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04480219 , version 1

Citer

Julien Sarmet. Matériaux Lamellaires pour le développement de dispositifs avancés pour le stockage de l'énergie. Matériaux. Université Clermont Auvergne, 2023. Français. ⟨NNT : 2023UCFA0096⟩. ⟨tel-04480219⟩
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