Solid Li+-carrying Membranes

La demande actuelle en batteries lithium-ion « tout solide » adaptées aux applications mobiles asuscité d'importantes recherches sur des membranes électrolytes polymères de plus en plussophistiquées. Cette thèse porte sur la synthèse et la caractérisation mécanique, thermique etstructurale de nouveaux matériaux électrolytes polymères nanocomposites résultant de la réticulationpar procédé sol-gel de chaînes de poly(oxyde d'éthylène) (PEO) fonctionnalisées aux deux extrémitéspar des groupements alkoxysilane. Les nano-domaines polysilsesquioxanes ainsi formés par hydrolysecondensation,génèrent un haut degré de réticulation et jouent le rôle de nanocharges, apportant unerésistance mécanique permettant d'incorporer des quantités élevées de plastifiant. En outre, leprocédé sol-gel permet de fonctionnaliser ces nano-domaines avec des groupements de type sulfonateou perfluorosulfonate de lithium, qui fournissent des porteurs de charge Li+ de façon uniforme au seinde la membrane. De plus, l'immobilisation des anions par liaisons covalentes supprime leurcontribution à la conductivité, ce qui assure au sein de l'électrolyte (alors dit single-ion) une conductionunipolaire cationique, indispensable pour éviter ultérieurement la formation de dendrites de lithium aucours des cycles de charge et décharge. L'étude de la conductivité ionique de ces membranes, à l'étatsec ou après gonflement dans le carbonate de propylène, a conduit à une réflexion sur la dynamique ducation lithium au sein des membranes nanocomposites et sur les différentes voies envisageables pouraméliorer les performances de ces électrolytes.The topical demand in all-solid lithium-ion batteries suitable for portable consumer electronicdevices has triggered extensive research on more and more sophisticated polymer electrolytemembranes (PEM).This PhD work deals with the synthesis and the mechanical, thermal andstructural characterization of new nanocomposite PEM arising from the sol-gel cross-linking ofPEO chains end-capped with alkoxysilane groups. Thus, the polysilsesquioxane nano-domainsformed by hydrolysis-condensation reactions form a high density of cross-links and play the roleof nanocharges, giving rise to mechanical resistance, which allows incorporating high amounts ofplasticizer. Moreover, sol-gel process allows the functionalization of these nanodomains withlithium sulfonate or perfluorosulfonate groups, which supply Li+ charge carriers homogeneouslydispersed throughout the membrane. In addition the immobilization of the anions via covalentbonds prevents them from contributing to the overall conductivity, thus ensuring a single-ionconduction, which is a compulsory condition to prevent the further formation of lithium dendriteson charge-discharge cycles. The ionic conductivity study of the membranes, in the dry state orafter swelling in propylene carbonate, was done. It led to discuss the dynamics of lithium cation inthe nanocomposite membranes and the possible ways to improve their conductionperformances