Thèse Complexes Radicalaires de Métaux Abondants pour la Conception de Matériaux d'Électrodes de Batteries H/F

Université Grenoble Alpes

Établissement : Université Grenoble Alpes
École doctorale : CSV- Chimie et Sciences du Vivant
Laboratoire de recherche : Département de Chimie Moléculaire
Direction de la thèse : Nicolas LECONTE ORCID 000000015959709X
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-04-09T23:59:59

Aujourd'hui, deux principaux types de matériaux actifs d'électrodes sont utilisés dans les systèmes de batteries lithium-ion (LiB) : les oxydes métalliques et les composés organiques. La combinaison des avantages propre à chaque technologie dans un seul et même dispositif, où les transferts d'électrons se produisent à la fois au niveau du centre métallique et des fragments organiques, a attiré notre attention sur les complexes de coordination constitués de ligands redox-actifs. Principalement étudiés comme modèles structuraux ou fonctionnels de métalloenzymes, les ligands redox-actifs agissent comme des réservoirs d'électrons et peuvent échanger des électrons en synergie avec le centre métallique ou de manière indépendante. Au-delà de la chimie bio-inspirée, la conception d'architectures redox qui subissent de multiples transferts d'électrons, avec des propriétés redox ajustables, devrait permettre une avancée majeure dans le domaine du stockage d'énergie. En effet, les matériaux d'électrodes qui intégreraient des composés de coordination sont apparus comme des candidats prometteurs pour les batteries Li-ion de nouvelle génération (y compris les batteries K-ion et Na-ion). Leurs multiples processus de transfert d'électrons réversibles permettent d'obtenir des capacités spécifiques élevées, tandis que leur comportement redox ajustable permet de contrôler la fenêtre de potentiel électrochimique et la solubilité.
Le présent projet prévoit la conception, la caractérisation et l'évaluation (jusqu'à la pile bouton !) de nouveaux matériaux d'électrode positive constitués de complexes de coordination de métaux abondants immobilisés sur une matrice polymère. Les travaux se concentreront sur des composés combinant des métaux de transition écocompatibles (Ni, Cu) et des ligands tétradentes redox-actifs basés sur un motif bis(o-phénylènediamine). Alors que les meilleures batteries commerciales offrent des capacités théoriques de 170 mAh·g¹, nos systèmes devraient dépasser les 200 mAh·g¹ sur une large fenêtre de potentiel, sans compromettre l'énergie globale du système. Le greffage des complexes sur un polymère hôte permettra d'éviter la dissolution de la molécule dans l'électrolyte et la défaillance consécutive de la batterie. À cette fin, le polyphosphazène est considéré comme candidat idéal en raison de son faible poids moléculaire et de ses propriétés ignifuges inhérentes.
Basé sur une collaboration pérenne et des résultats préliminaires encourageants, le projet proposé innove en introduisant une nouvelle classe de matériaux actifs à haute capacité et respectueux de l'environnement pour les dispositifs de stockage d'énergie électrochimique.

La synthèse de ligands redox-actifs et de leurs complexes de métaux de transition s'inspire de la nature qui utilise cette stratégie pour effectuer des transformations chimiques hautement sophistiquée. Ces espèces font l'objet de recherche surtout dans le domaine de la catalyse homogène.

En revanche, dans le domaine des matériaux pour les batteries, les avantages qu'offrent les complexes de ligands redox-actifs n'ont pas été exploités. Nos recherches visent à combler ce manque.

Plusieurs ligands redox-actifs sont envisagés et seront synthétisés, de même que les complexes associés. Après caractérisation, une première évaluation des propriétés électrochimiques sera réalisée afin de sélectionner les candidats les plus prometteurs en vue de leur immobilisation. Après immobilisation et caractérisation des nouveaux matériaux, ces derniers seront évalués en conditions réelles (pile-bouton).