[PDF] Étude physico-chimique de liquides ioniques protoniques pour piles

View - Download Étude physico-chimique de liquides ioniques protoniques pour piles

Previous PDF

Next PDF

Université Pierre et Marie Curie

École doctorale de

Chimie Physique et Chimie Analytique de Paris Centre (ED 388) Laboratoire de physicochimie des électrolytes et nanosystèmes interfaciaux leur utilisation comme électrode négative de batterie Li- ion

Par Nadia Soulmi

Thèse de doctorat de Chimie-Physique

Dirigée par Laurent Gaillon & Henri Groult

Présentée et soutenue publiquement le 15 Décembre 2017

Devant un jury composé de :

Mme Laure Monconduit Directeur de recherche, Université de Montpellier II Rapporteur M. Andreas Taubert Professeur, Université de Postdam Rapporteur M. Philippe Barboux Professeur, Chimie ParisTech Examinateur Mme Sophie Cassaignon Professeur, UPMC-Sorbonne Universités Examinateur Mme Catherine Santini Directeur de recherche, Université Claude Bernard Lyon I Examinateur

M. Laurent Gaillon Maître de conférences, UPMC-Sorbonne Universités Directeur de thèse M. Damien Dambournet Maître de conférences, UPMC-Sorbonne Universités Co-encadrant

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE............................................................................................................................. 7

CHAPITRE I. GENERALI ........................................................................................ 17

Introduction ........................................................................................................................................................... 19

I.1 | Aspect général des batteries Li-ion ................................................................................................................ 20

I.1.1 | Principe général de fonctionnement ....................................................................................................... 21

I.1.2 | Les éléments constituants une batterie Li-ion ........................................................................................ 22

................................................................................. 31

I.2 | Les liquides ioniques ...................................................................................................................................... 32

I.2.1 | Généralités sur les liquides ioniques ..................................................................................................... 32

I.2.2 | Synthèse des liquides ioniques .............................................................................................................. 36

I.2.3 | Propriétés physico-chimiques................................................................................................................ 39

I.2.4 | Interactions, structures et organisations des liquides ioniques .............................................................. 45

I.3 | Synthèse de nanoparticules en milieu liquide ionique ................................................................................... 49

I.3.1 | Synthèse de nanoparticules monométalliques ....................................................................................... 49

I.3.2 | Synthèse de nanoparticules bimétalliques ............................................................................................. 52

Conclusion ............................................................................................................................................................ 56

I.4 | Références bibliographiques .......................................................................................................................... 58

CHAPITRE II. SYNTHESE DE NANOPARTICULES ETAIN-CUIVRE EN

MILIEU LIQUIDE IONIQUE .............................................................................................................................. 72

Introduction ........................................................................................................................................................... 74

II.1 | Mise au point du protocole expérimental de synthèse des nanoparticules en milieu liquide ionique ........... 75

II.1.1 | Description de la synthèse..................................................................................................................... 75

II.1.2 | Synthèse des nanoparticules : optimisation du protocole expérimental ................................................ 76

II.2 | Synthè ..................................................................... 91

II.2.1 | Influence et choix du liquide ionique comme milieu de synthèse ........................................................ 91

................................................ 102 -cuivre en milieu liquide ionique : Cas du Cu6Sn5 .................... 108

6Sn5 nanométrique ......................................................................... 109

6Sn5 en milieu liquide ionique ...................................................................... 110

Conclusion .......................................................................................................................................................... 116

II.4 | Références bibliographiques ....................................................................................................................... 118

CHAPITRE III. ISOLATION ET CARACTERISATIONS DES NANOPARTICULES

SYNTHETISEES EN MILIEU LIQUIDE IONIQUE ........................................................... 129

Introduction ......................................................................................................................................................... 131

III.1 | Caractérisations in situ des nanoparticules de Sn et de Cu6Sn5 ................................................................. 132

III.1.1 | Étude par cryo-MET ......................................................................................................................... 132

III.1.2 | Étude par relaxométrie RMN ............................................................................................................ 134

III.2 | Isolation des nanoparticules synthétisées en milieu liquide ionique ......................................................... 139

........ 139 ............................................... 141

III.3 | Caractérisations des nanoparticules de Sn et de Cu6Sn5 après isolation .................................................... 150

....................................................................................................................... 150

III.3.2 | Nanoparticules étain-cuivre Cu6Sn5 ............................................................................................... 165

Conclusion .......................................................................................................................................................... 173

III.4 | Références bibliographiques ..................................................................................................................... 175

CHAPITRE IV. UTILISATION DES NANOPARTICUIAGE

ETAIN-ECTRODE NEGATIVE DE BATTERIE LI-ION ..... 181

Introduction ......................................................................................................................................................... 183

IV.1 | Matériels et conditions pour le cyclage des électrodes.............................................................................. 184

.................................................................................................................... 184

........................................................................................................................ 187

IV.1.3 | Montage et conditions de cyclage électrochimique .......................................................................... 187

IV.2 | Étude électrochimique et tenue en cyclage des nanoparticules de Sn@SnOx ........................................... 190

IV.2.1 | Étude du comportement électrochimique ......................................................................................... 191

................................................................ 204

IV.2.3 | Étude des performances électrochimiques en cyclage ...................................................................... 206

IV.3 | Étude électrochimique et tenue en cyclage des nanoparticules de Cu6Sn5@SnOx .................................... 211

IV.3.2 | Courbes de charge-décharge : étude du mécanisme de lithiation ..................................................... 213

IV.3.3 | Cyclabilité et efficacité coulombique ............................................................................................... 216

Conclusion .......................................................................................................................................................... 217

IV.4 | Références bibliographiques ..................................................................................................................... 219

CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES ............................................................. 226

ANNEXES ............................................................................................................................. 235

Annexe A1 Synthèse des liquides ioniques ...................................................................................................... 237

Annexe A2 - Relaxométrie RMN........................................................................................................................ 239

Annexe A3 Spectroscopie photoélectronique des rayons X ............................................................................. 246

Introduction générale

8 8

Introduction générale

Le ux actuels liés à la transition énergétique. Pour atteindre les objectifs de l'Accord de Paris sur le climat entré en vigueur en novembre 2016 dans le prolongement des négociations qui se sont tenues lors de la 21ème conférence des parties (COP21), la transformation du secteur de l'énergie , dans la mesure où ce dernier est ns de gaz à effet de serre. En réponse aux objectifs définis pour lutter contre le changement climatique, de nombreux pays ont amorcé leur transition énergétique et se sont engagés

la part des énergies renouvelables à réduire les émissions de CO2, provenant principalement de

ricité et de chaleur (42 %) et des transports (23 %).1 après le rapport sur le " statut mondial des énergies renouvelables » publié par le réseau mondial REN21 (Renewable Energy Policy Network for the 21st Century), en 2014, il est estimé que les énergies renouvelables ne couvraient que 19,2 % de la consommation finale Figure 1.1), et que 78,3 % de la consommation énergétique provenait toujours de combustibles fossiles.2

Figure 1.1 -

finale mondiale 2]. Toutefois, selon le rapport de 2016 de " » (AIE), la demande mondial de croître, avec une augmentation de la demande énergétique mondiale estimée à 30 % en 2040, impliquant une hausse globale de la consommation de l'ensemble de ces énergies.3 De plus, fait de 9 9

Introduction générale

développer des moyens de (ou moins) émetteurs de CO2 avec un impact environnemental plus faible, ainsi que de limiter ,

est la condition sine qua none pour limiter le réchauffement climatique de 2 °C en 2100 (Accord

de Paris). via 2040.
Le stockage électrochimique est nécessaire aux déploiements des énergies renouvelables (e.g. par nature intermittentes, car il permet de maîtriser sur le réseau. Ainsi, l'utilisation de systèmes de

stockage électrochimique est une solution crédible pour sortir de cette situation, en particulier

dans le domaine du transport. A lui seul, ce secteur doit réduire sa demande en pétrole de 80 %

050, ce qui de l'automobile électrique.

Les différents systèmes rechargeables de stockage comprennent les (super)condensateurs et les accumulateurs. Afin de comparer les performances Figure 1.2 - Diagramme de Ragone de différents dispositifs de stockage électrochimique (condensateurs, supercondensateurs et accumulateurs). Adapté de [4]. 10 10

Introduction générale

Là la ngranger

-1), alors que la puissance Ainsi, les condensateurs classiques ont une grande puissance spécifique mais une très

faible énergie spécifique, alors que les accumulateurs (communément appelés " batteries ») ont

les caractéristiques opposées. Les caractéristiques des supercondensateurs se situent entre les

deux systèmes. Ces derniers sont particulièrement adaptés à une application nécessitant une

consommation dimportante en un temps très court , alors

que les accumulateurs présentent des énergies spécifiques plus importantes mais délivre leur

énergie stockée sur une durée plus longue (donc avec une puissance spécifique plus faible que

celle des condensateurs). On parle alors de systèmes complémentaires de " puissance et

», qui pos

Le supercondensateur possède une durée de vie très longue en comparaison avec celle (un million vs. un millier de cycle de charge/décharge, respectivement). Cela est dû au fait que les processus mis en jeu dans les supercondensateurs sont non faradiques (capacitifs majoritairement), alors que sur le long terme, la réaction chimique qui a lieu dans les accumulateurs est responsable de la dégradation des matériaux .4 Néanmoins, les

accumulateurs sont de loin les systèmes électrochimiques les plus répandus, et notamment les

batteries Li-ion, qui trouvent des applications dans un grand nombre de domaines de la vie courante, et ce depuis . Ainsi, ces systèmes sont très largement utilisés

pour des applications mobiles (téléphones et ordinateurs portables, appareils photo et vidéo,

etc.).5 Le automobile par exemple, au même titre que le stockage

statique de l'énergie produite par l'énergie solaire ou éolienne, requiert cependant des avancées

technologiques importantes pour améliorer leur tout en fournissant une plus grande durée de vie et en maîtrisant leurs coût de fabrication et leur actifs sant de capacités massique

et/ou volumique plus élevées, ou par des matériaux possédant des potentiels permettant

7 11 11

Introduction générale

Depuis la commercialisation de la première batterie Li-ion par Sony® en 1991,8 initialement constituée O2) en tant qu les performances des matériaux, pour ainsi ergies massiques allant Wh.kg-1 , du fait de sa grande stabilité, le matériau actif carbone graphite. Toutefois, il possède une capacité spécifique de 372 mAh.g-1, insuffisante pour les applications citées ci-avant. capacité délivrée, tout en conservant une très

bonne stabilité. En cela, les matériaux capables de former des alliages binaires avec le lithium

suscitent un fort intérêt présentent des capacités spécifiques théoriques

1000 mAh.g-1. Parmi ces éléments, fait partie des matériaux les plus étudiés du fait de

ses importantes capacités massique et volumique (993 mAh.g-1 et 7246 mAh.cm-3), associées à un potentiel de fonctionnement inférieur à 0,8 V vs. Li+/Li.9 De plus, il possède une très bonne conductivité électrique, et constitue notable pour les nouvelles alternatives aux batteries Li-ion, telles que les batteries Na-ion ou encore Mg-ion.10,11 subissent lors du cyclage des variations volumiques très importantes associées aux réactions de lithiation/délithiation, qui sont

nombreux phénomènes de dégradation (pulvérisation du matériau actif, perte de contacts

électriques entre les grains et le collecteur de courant), et entraînent une diminution des et notamment de sa durée de vie.12,13 Des

solutions proposées pour pallier à ce problème consistent à diminuer la taille des particules à

échelle nanométrique ou encore à utiliser un alliage , dans lequel de " tamponner » les variations volumiques. vis-à-vis du

A ce jour, très peu de synthèses

métalliques de composition désirée. De plus, les synthèses " classiques » de nanoparticules

métalliques nécessitent emploi de plusieurs agents stabilisants ou structurants (ligands, tensio-actifs, polymères), et/ 12 12

Introduction générale

alternative intéressante pour la synthèse de nanoparticules et de nano-alliage métalliques.15 En

effet cue et propriétés suivant le type de combinaison cation/anion sélectionné. Dans le cadre de la synthèse de nanoparticules métalliques, les liquides ioniques peuvent ainsi jouer un rôle multiple : de s stabilisant et

procédés de synthèse en milieu liquide ionique de nanoparticules métalliques et de nano alliage

-ion. A cette fin, nous nous sommes intéressés, , à la synthèse via divers liquides

possédant une capacité spécifique théorique de 605 mAh.g-1, constituant une alternative de

choix pour améliorer la durée de vie des batteries utilisant ces matériaux.16 Consécutivement à la réalisation de ces maquotesdbs_dbs35.pdfusesText_40

[PDF] liquide ionique voiture

[PDF] synthèse des liquides ioniques

[PDF] liquide ionique electrolyte

[PDF] droite d'action d'une force définition

[PDF] réaction support plan incliné

[PDF] réaction du support formule

[PDF] réaction nucléaire uranium

[PDF] réaction nucléaire exercice

[PDF] mots croisés ce1 pdf

[PDF] réaction nucléaire cours

[PDF] hachette

[PDF] mots croisés métiers ? imprimer

[PDF] mots croisés pour débutants

[PDF] mots croisés pour débutants ? imprimer

[PDF] mots croisés faciles québécois