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MIEL - Electrolytes et électrodes organiques
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Electrolytes et électrodes organiques pour les générateurs électrochimiques

Présentation

Cette thématique consiste à concevoir, contrôler et optimiser la chimie et la morphologie de matériaux polymères fonctionnels, afin d’améliorer leurs propriétés de transport ionique ou électronique et contrôler leur réactivité. Notre activité est centrée sur les électrolytes polymères, gélifiés ou non, les polymères ou molécules redox avec une expertise tant dans la conception et la synthèse des matériaux que sur leur caractérisations physico-chimiques.

Les projets phares de nos travaux de recherche sont associés à la conception de matériaux originaux (i) formant des membranes nano-structurées à conduction ionique et (ii) permettant d’élaborer des électrodes performantes, en rupture avec les technologies actuelles.

La nano-structuration et une conduction unipolaire permettent l’obtention d’électrolytes combinant tenue mécanique et conductivité ionique élevées, ainsi qu’une stabilisation des interfaces et des performances améliorées en puissance. La conception de matériaux originaux à propriétés redox, nous permet de proposer des électrodes fonctionnelles organiques. Les applications en lien avec nos études ont été essentiellement les piles à combustible à conduction protonique, les accumulateurs lithium-polymère, les accumulateurs à cation divalent, les cellules solaires à colorant et les batteries à flux redox.

Polymères et ionomères solvatants

Cette activité, centrée sur la conception et la caractérisation d’électrolytes à structure poly(éthylène oxyde) sec ou gélifié a pour objectif de lever les principaux verrous technologiques des batteries lithium métal polymère (LMP), plus particulièrement de diminuer la température de fonctionnement et d'améliorer la durabilité des systèmes en contrôlant l’interface Li/électrolyte. Des approches originales de synthèse et/ou d’élaboration i.e. composites ionomères + nanocharge, copolymères à blocs, ont permis d’obtenir des conductivités supérieures à 10-4 S/cm à 30°C ainsi qu’une augmentation significative de la durabilité par une synergie des propriétés, conductivité cationique unipolaire et tenue mécanique élevées.

Electrolytes polymères architecturés à structure aromatique

Les copolymères multi-blocs, haute performance, comportant des blocs ioniques, dotés de fonctions perfluorosulfonique ou perfluorosulfonimide, assurant la conductivité ionique et des blocs hydrophobes assurant la tenue mécanique ont été conçus et synthétisés. L’incorporation de ces fonctions ioniques très dissociées et l’architecturation du matériau à l’échelle nanométrique permettent des performances en termes de conductivité et de stabilités chimique, thermique et électrochimique au plus haut niveau de l’état de l’art. Une étude approfondie de l’impact de l’architecture moléculaire et des conditions de mise en forme sur la morphologie et les propriétés fonctionnelles des membranes a été ainsi menée. L’utilisation de ces copolymères comme électrolyte et comme liant d’électrodes pour les systèmes PEMFC et batteries LMP ont conduit à des résultats exceptionnels en termes de performances électrochimiques et durabilité.

Polyliquides ioniques

Des polyliquides ioniques (PILs) à structure polysiloxane ont été synthétisés et caractérisés comme électrolytes dans des cellules solaires à colorant utilisant des électrodes de TiO2 structure architecturée bimodale. L’optimisation de l’architecturation de l’électrode et de la fonctionnalisation des PILs nous ont permis, via l’optimisation des interfaces, d’obtenir des rendements équivalents aux cellules à électrolyte liquide avec une amélioration notable de la durabilité des dispositifs, plusieurs mois, attribuée à présence d'un électrolyte polymère à la place d'un électrolyte liquide.

Matériaux organiques pour batteries

Cette activité met en jeu des matériaux organiques comme élément de cathode pour batterie et repose sur un choix pertinent des cibles organiques permettant d’atteindre des capacités élevées avec des matériaux dont la fonctionnalisation permet d’ajuster la cible en fonction de l’électrolyte. Nos études ont été étendues à des études de composés présentant conjointement des propriétés redox et de luminescence. Après avoir démontré que sous stimulus photochimique, l’absorption d’un photon permettait d’effectuer une recharge de la batterie à moindre potentiel. Cette activité a été poursuivie en associant un substrat photosensible (ZnO) et un complexe de coordination redox greffé.

mise à jour le 12 octobre 2019

Univ. Grenoble Alpes