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Thomas F. Clément

Copolymères en peigne à greffons éthers et carbonates : du design macromoléculaire à leur utilisation comme électrolytes de batterie au lithium

Publié le 26 mars 2021
Thèse soutenue le 26 mars 2021 pour obtenir le grade de docteur de la Communauté Université Grenoble Alpes - Spécialité : Sciences des Polymères

Résumé :
Les densités d’énergie des accumulateurs au lithium métal actuels restent limitées en raison de la stabilité électrochimique réduite à haut potentiel des électrolytes basés sur le PEO. D'autres familles de polymères ont été étudiées pour pallier à ce problème, montrant une stabilité pouvant atteindre 5V vs Li+/Li. Les polycarbonates font partie de ces matériaux. Dans ce contexte, cette thèse décrit la synthèse et le développement de polymères et de copolymères en peigne basés sur le poly(triméthylènecarbonate) (PTMC) pour leur utilisation en tant que matrice hôte polymère de sels de lithium. La synthèse de PTMC par ROP organocatalysée du TMC est ici décrite et permet d’obtenir une large gamme de masses molaires de faibles dispersités (0,7 kg/mol < Mn < 50 kg/mol. DPn < 1,25). Les caractérisations électrochimiques des électrolytes PTMC/sels de lithium sont développées. Elles permettent l’optimisation de ces électrolytes (nature du sel, concentration, Mn, etc) et de proposer un mécanisme de transport ionique dans les matrices PTMC. Le développement de la synthèse de copolymères en peigne, basés sur un squelette poly(pentafluorostyrène) (PPFS) et des chaînes latérales PEO et PTMC (PPFS-g-PEO & PPFS-g-PTMC), permet de pallier aux faibles valeurs du module d’Young des homopolymères tout en gardant une dynamique de chaînes latérales importantes, favorable au transport ionique. A longueurs équivalentes de chaînes PTMC (et Mn > 1,9 kg/mol), les électrolytes PPFS-g-PTMC/LiTFSI ont une conductivité ionique similaire à celle des électrolytes homopolymères PTMC/LiTFSI. De plus, la comparaison des électrolytes copolymères basés sur des chaînes latérales PEO & PTMC de DPn similaires montre une conductivité identique pour T > 60°C. Nos études constituent donc une preuve de concept de l'utilisation de ces matériaux basés sur les polycarbonates en tant qu’électrolytes polymères pour batterie lithium métal.

Jury :
Rapporteur : M. Didier Gigmes
Rapporteur : M. David Mecerreyes
Examinatrice : Mme Cristina Iojoiu
Examinatrice : Mme Margot Lecuyer
Examinateur : M. Philippe Poizot
Directeur de thèse : M. Patrice Rannou
Co-encadrant de thèse : M. Lionel Picard

Mots clés :
Chimie Macromoléculaire : Polymérisation par ouverture de cycle organocatalysée & polymérisation par catalyse Ziegler Natta
Ingénierie macromoléculaire : Oligo/(Co)Polymère & Architecture en peigne, Electrolyte polymère, Conductivité ionique, Batteries