Solid hybrid electrolytes development based on ionic liquids immobilized on metal oxide nanoparticles for lithium batteries

Les liquides ioniques (LIs) possèdent des propriétés uniques prometteuses pour l'amélioration de la sécurité des batteries du fait de leur grande stabilité thermique et de leur volatilité négligeable. Par ailleurs, ils sont dotés d'une conductivité ionique élevée (10-3 S/cm à 10-2 S/cm à température ambiante) et d'une large fenêtre de stabilité électrochimique (jusqu'à 6 V dans le cas des sels de pipéridinium et de pyrrolidinium). Cependant, la dissolution d'un sel [Li+][X-] dans un liquide ionique [A+][X-] conduit à un électrolyte liquide ionique ayant une viscosité accrue, une conductivité plus faible et, par conséquent, entrave son utilisation en tant qu'électrolyte. Ce manuscrit présente le développement de matériaux hybrides organique–inorganique à partir de liquides ioniques immobilisés sur des nanoparticules d'oxydes métalliques. L'électrolyte solide (sans solvant) obtenu permet de réduire le risque de fuite et d'incendie. Par ailleurs, les conductivités atteintes sont comparables à celles des systèmes polymères rapportés dans la littérature. Nous avons concentré nos recherches autour d'un panel de liquides ioniques dérivés de sels d'imidazolium et de leur greffage sur des nanoparticules de silice et d'oxyde de zirconium(IV). Nous rapportons ici un nouvel électrolyte préparé en deux étapes à partir de la coordination d'un sel d'imidazolium fonctionnalisé par un acide carboxylique. Après optimisation de la teneur en sel de lithium, une conductivité ionique stable entre 80 °C et 25 °C est obtenue (respectivement de 0,6 x 10-4 S/cm à 0,15 x 10-4 S/cm). D'autre part, l'impact de la structure chimique des liquides ioniques sur les propriétés de transport ionique est abordé. Entre autres, l'influence de la longueur des chaînes carbonées, de la fonction d'ancrage, de la nature et de la structure du support a été étudiée. La compréhension de ce transport a mobilisé l'analyse des électrolytes par spectroscopie d'impédance électrochimique et par RMN à l'état solide. Enfin, des tests d'intégration en demi-cellules concluent ce manuscritIonic liquids (ILs) have attractive unique properties for safer batteries, including important thermal stability and negligible volatility. In addition, they have a high ionic conductivity (10-3 to 10-2 S/cm at room temperature) and a wide electrochemical stability window (up to 6 V in the case of piperidinium and pyrrolidinium salts). However, the dissolution of a [Li+][X-] salt in the ionic liquid [A+][X-] leads to an ionic liquid electrolyte (ILE) with increased viscosity, lower conductivity, and as a result, hinders its use as an electrolyte.This manuscript describes the development of hybrid organic–inorganic materials based on ionic liquids immobilized on the surface of metal oxide nanoparticles. A solid electrolyte thus obtained (solvent-free) reduces the risk of batteries ignition as well as electrolyte leakage. In addition, the reached conductivities are comparable to those of the polymer systems reported in the literature. We focused our research on a panel of ionic liquids derived from imidazolium salts and their grafting on silica and zirconium(IV) oxide nanoparticles. We report herein a new electrolyte prepared from the coordination of carboxylic acid functionalized imidazolium salt. After optimization of the lithium salt content, a stable ionic conductivity is obtained between 80 °C and 25 °C (respectively from 0,6 x 10-4 S/cm to 0,15 x 10-4 S/cm). Furthermore, the impact of the chemical structure of the ionic liquid on the lithium ions transport is discussed. Among others, the influence of the carbon chains length, the anchoring function, the nature, and the structure of the support was studied. This research has involved electrolytes analysis by electrochemical impedance spectroscopy and solid-state NMR. Finally, integration tests in half-cell models conclude this manuscrip