Novel design concepts of efficient electrolytes and new organic materials for Magnesium batteries

Les objectifs de cette thèse sont d’une part, de développer de nouveaux électrolytes par la conception de nouveaux sels de magnésium non dangereux ou par l’utilisation d’additifs aromatiques comme l’anthracène et d’autre part de synthétiser un polymère organique ayant des propriétés redox adaptées à son utilisation comme électrode positive dans des batteries au Magnésium.La première méthodologie a été la synthèse de plusieurs sels de magnésium obtenus par la réaction de phénol substitués ou de thiophénol avec l’anion tetrahydroborate. Les meilleurs résultats ont été obtenus avec le sel obtenu par réaction du thiophénol et du tétrahydroborate. L'impact de ce nouveau sel sur l’amélioration de l'interface Mg/électrolyte a été caractérisé par des électrochimie. En outre, les performances de la cellule complète Mg/Mo6S8 ont été évaluées, et une capacité de 75 mAh/g a été obtenue après 20 cycles, avec une faible polarisation de l'électrode de Mg. La deuxième méthodologie a consisté à étudier l'effet d’additifs aromatiques sur le processus de dépôt/dissolution du Mg, et ainsi permettre d’approfondir notre compréhension du mécanisme assisté sous-jacent. La deuxième partie de cette thèse présente les performances électrochimiques de matériaux organiques utilisés comme électrode positive pour les batteries au lithium et au magnésium. Le polybenzoquinonedisulfure (PBQDS) a été synthétisé avec un rendement très élevé de façon écologique et facile. Les performances obtenues en cellule Li sont intéressantes, alors qu’en cellule Mg, une perte de capacité importante est obtenue associée au piégeage des ions Mg2+ au sein de l’électrode, due à une forte interaction oxygène/Mg2+. L'utilisation d'un additif solvatant, un éther couronne, dans l'électrolyte atténue partiellement ce comportement, proposant ainsi des pistes d'amélioration intéressantes.The objectives of this thesis are, on the one hand, to develop new electrolytes by the design of new non-hazardous magnesium salts or by the use of aromatic additives such as anthracene and, on the other hand, to synthesize an organic polymer with redox properties suitable for its use as a positive electrode in magnesium batteries. The first methodology was the synthesis of several magnesium salts obtained by the reaction of substituted phenol or thiophenol with the tetrahydroborate anion. The best results were obtained with the salt obtained by the reaction of thiophenol and tetrahydroborate. The impact of this new salt on the improvement of the Mg/electrolyte interface was characterized by chronoamperometry and impedance spectroscopy measurements. In addition, the performance of full cell Mg/Mo6S8 was evaluated, a capacity of 75 mAh/g was obtained after 20 cycles, with a weak polarization of the Mg electrode. The second methodology several π-rich compounds were used. The best promising molecule is the 2-(tert-butyl)anthracene with an improvement in the Mg plating/stripping process reversibility. The second part of this thesis will present the electrochemical performance of organic material using as positive electrode for both lithium and magnesium batteries. Polybenzoquinonedisulfide (PBQDS) was synthesized with very high yield in a green and easy way. After the particle size reduction using ball milling technique, the discharge capacity reaches a stable value of 140 mAh/g at C/20 in sulfolane based electrolyte. In Mg cell, even if similar capacity is obtained in the first cycles, a large capacity fading is observed associated with the trapping of Mg2+ in the active material, due to strong oxygen/Mg2+ interaction. The use of solvation additive (crown ether) in the electrolyte mitigates partially this behaviour, given some interesting leads of improvement