Matériaux organiques, hybrides et polymères pour l’énergie
Coordinateur: Dr Matthieu Becuwe
Personnels impliqués:
M. Becuwe, J-P. Bonnet, C. Frayret, S. Gottis, E. Baudrin, G. Gachot, C. Davoisne
Le contexte énergétique actuel incite la recherche et le développement de nouveaux matériaux d'électrodes de plus en plus performants tout en ayant un plus faible impact environnemental et écologique ainsi qu’un recyclage plus aisé. L’apport de la chimie organique dans ce domaine est en plein essor depuis une dizaine d’années notamment suite aux travaux menés sur les batteries organiques éco-conçues. Notre groupe concentre son activité sur les batteries organiques (Li-ion et anionique) tant au niveau de la conception de nouveaux matériaux d’électrodes de hautes performances (matériaux et électrodes) que pour la compréhension des mécanismes de réactivité électrochimique à l’état solide. Le groupe MOHPE s’intéresse également au développement des composés organiques au sens large avec une activité de plus en plus prépondérante sur les polymères et sur les matériaux hybrides organique-inorganique pour concevoir de nouveaux conducteurs ioniques et des matériaux de stockage plus performants.
Nouveaux matériaux organiques d’électrodes pour les batteries organiques (Dr M. Becuwe)
Le domaine des batteries organiques et des matériaux organiques d’électrodes est en plein expansion. Dans ce cadre, nos activités de recherche se focalisent sur plusieurs aspects liés à ce type de composés comme la synthèse de composés électroactifs, l’assemblage/organisation de ces molécules au sein d’un solide et l’étude des propriétés électrochimiques des matériaux qui en découle. Initialement, nos activités de recherche sont orientées vers l’étude précise des paramètres moléculaires (fonction électroactive, fragment stabilisateur…) et de leurs influences sur la réponse électrochimique (potentiel d’activité, réversibilité, cinétique) tant pour l’électrode positive (motifs quinoniques, phenothiazine,…) que négative (carboxylate de lithium). Cette méthodologie a permis notamment de concevoir de matériaux organiques d’électrodes aux propriétés modulables ouvrant ainsi la voie vers des batteries organiques de puissance et à potentiel de sortie élargi. Plus récemment, nos travaux dans le domaine se sont ouverts à l’exploration de nouvelles familles de composés électroactifs (phénothiazines par exemple) et à la compréhension des mécanismes impliqués lors des réactions électrochimiques à l’état solide, dans le but d’aboutir sur le moyen-long terme à la conception de prototype tout-organique de hautes performances.
Modélisation des systèmes organiques moléculaires et organisés (Dr C. Frayret)
En partenariat avec des approches expérimentales, nos recherches en simulation sont dédiées à l'application de la modélisation informatique pour soutenir notamment la sélection de nouveaux matériaux d'électrodes organiques fonctionnalisés et proposer des conceptions innovantes de systèmes originaux et performants à l'échelle moléculaire. Préalablement à toute expérimentation, l’étude de propriétés étendue à un échantillonnage de différentes structures de molécules ou de complexes en appliquant des calculs de premiers principes permet d'accéder à l'identification d'architectures moléculaires optimisées, à la connaissance des sites d'intercalation préférentiels, ainsi qu'à la rationalisation des relations structure-propriété. L'un des objectifs de nos travaux est ainsi de restreindre le champ des composés à cibler pour les tests expérimentaux et de démêler l'incidence relative d'effets distincts. L'analyse des caractéristiques précises de la structure électronique joue ici un rôle clé en fournissant un moyen sans précédent et quantitatif d'accéder à une approche de prédiction éclairée en vue de l'ingénierie de nouvelles classes de matériaux. Outre l'exploration de données reliées à différents ensembles de systèmes, les calculs de mécanique quantique offrent également, pour les matériaux synthétisés, l'opportunité de participer à la caractérisation soit du point de vue structurel, soit du point de vue spectroscopique. La puissance de nos approches réside dans la résolution atomique permettant une compréhension complémentaire des mécanismes par rapport à certaines techniques expérimentales.
Développement d’électrolytes et liants polymères pour les batteries Li-ion (Dr J.-P. Bonnet / Dr M. Becuwe)
A la croisée des différentes thématiques du laboratoire, les matériaux polymères sont des composés de plus en plus prépondérants et pouvant apporter des solutions novatrices pour la conduction ionique (polyélectrolytes) ou pour contenir les variations volumiques et/ou apporter de la flexibilité aux électrodes. A ce titre, nous développons de nouveaux monomères ioniques polymérisables à structure fortement délocalisée, des polymères architecturés pour la conduction des ions et de nouveaux liants polymères pour électrodes négatives et positives notamment par valorisation de composés issus de la biomasse.
Systèmes hybrides organique-inorganique (Dr M. Becuwe)
La versatilité de la chimie organique offre aussi de nombreuses possibilités d’amélioration des performances des matériaux (conductivité, densité d’énergie et de puissance) via une approche hybride organique/inorganique. Cette sous-thématique vise particulièrement à développer de nouveaux matériaux hybrides (selon plusieurs approches) qui pourront être utilisés comme électrolyte pour la conduction des ions ou comme matériaux d’électrode pour les batteries et les supercondensateurs. Une première option consiste à créer un lien fort, de type covalent ou coordinatif, entre un composé organique et un matériau inorganique. Ceci a notamment été exploité pour la conception de nouveaux électrolytes hybrides sans solvant à base de liquides ioniques immobilisés sur des nanomatériaux, aboutissant à des conductivités de l’ordre de 10-4-10-5 S.cm-1. Une autre possibilité, qui fait intervenir des liaisons plus faibles (VdW, π-stacking), a également été développée spécifiquement pour l’amélioration des capacités de stockage de matériaux carbonés pour le stockage pseudo-capacitif. Réalisée dans le cadre d’une collaboration avec le groupe du Pr. Yury Gogotsi (Drexel university, Philadelphie), l’incorporation de composés organiques électroactifs (quinone, phenothiazine, viologens, …) en quantité importante au sein de matériaux carbonés améliore drastiquement la densité d’énergie de l’électrode comparée au matériaux non modifiés.
