Cyclodextrin : a versatile supramolecular tool to extend lithium-based batteries lifespan : a versatile supramolecular tool to extend lithium-based batteries lifespan - Laboratoire Analyse et Modélisation pour la Biologie et l'Environnement Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2021

Cyclodextrin : a versatile supramolecular tool to extend lithium-based batteries lifespan : a versatile supramolecular tool to extend lithium-based batteries lifespan

Utilisations de la cyclodextrine pour prolonger la durée de vie des batteries au lithium

Résumé

Our increasing dependence on lithium-ion batteries for daily energy storage applications calls for the enhancement of their performances. Research efforts, which have so far relied on increasing energy densities, have recently been focused on durability and sustainability. In this context, the inspiration of life sciences has placed great hope on supramolecular chemistry to equip batteries with some added smart functionalities, in order to address their inherent failures such as electrodes swelling and partial dissolution, hence enhancing their lifespan. This work aims to evaluate how relevant this new worldwide research interest is, by focusing on cyclodextrins (CDs), which are bio-sourced cage molecules that can give reversible supramolecular host-guest interactions. We first successfully exploit the selective host-guest interaction of CDs towards polysulfides to discriminate these soluble lithium-sulfur batteries intermediates by nanopore, with a single sulfur atom resolution. Not only this approach lays the ground to the design of powerful sensors for electrolytes, but it also confers weight to a new sulfur confinement strategy based on CD. Next, we apply this host-guest interaction at the macromolecular scale by synthetizing mechanically interlocked architectures to be used as Si anode binders. Prepared from CDs-based polyrotaxanes (PRs) cross-linked with poly(acrylic acid), the PR-PAA prototypes disclose new routes of accommodating Si volume changes. Finally, we identify the crucial structural parameters involved in the better cyclability of Si anodes and provide an optimized design for PR-PAA binders.
Pour satisfaire aux exigences du marché, les batteries lithium-ion, devenues aujourd’hui indispensables, font l’objet d’intenses études. Cette recherche, jusqu’alors concentrée sur l’augmentation de la densité énergétique des matériaux actifs, se tourne désormais vers les problématiques de durabilité ou plus généralement liées au développement durable. En s’inspirant de la nature, la chimie supramoléculaire suscite de nombreux espoirs pour résoudre certaines défaillances intrinsèques aux batteries, comme le gonflement ou la dissolution des électrodes, ce qui permettrait une augmentation de leur durée de vie. Dans ce contexte, cette thèse s’intéresse aux cyclodextrines (CDs), molécules biosourcées capables de former des complexes supramoléculaires d’inclusion de type hôte-invité. Tout d’abord, nous avons étudié la complexation de la CD avec les polysulfures, rendant ainsi possible la détection à l’atome de soufre près par nanopore de ces intermédiaires parasitant l’électrolyte des batteries lithium-soufre. Ces résultats prometteurs ouvrent la voie à l’utilisation de nanopores comme sondes ultra-sensibles des électrolytes, mais aussi au développement de nouvelles stratégies de confinement de la cathode de soufre impliquant la CD. Nous avons ensuite utilisé le pouvoir complexant de la CD à l’échelle macromoléculaire pour synthétiser des polyrotaxanes (PR), assemblages supra-moléculaires où les CDs ont l’aptitude de se mouvoir le long d’une chaîne polymère. Les architectures PR-PAA, qui résultent de la réticulation de l’acide poly(acrylique) sur les CDs portées par les PRs, constituent de nouveaux liants polymères pour anode de silicium, capables de remédier à leurs changements de volume conséquents. L’étude de la relation entre structure des PR-PAA et leurs performances ont permis de nettes améliorations en cyclage.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03578938 , version 1 (17-02-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03578938 , version 1

Citer

Fanny Betermier. Cyclodextrin : a versatile supramolecular tool to extend lithium-based batteries lifespan : a versatile supramolecular tool to extend lithium-based batteries lifespan. Material chemistry. Université Paris-Saclay, 2021. English. ⟨NNT : 2021UPASF046⟩. ⟨tel-03578938⟩
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