Complexes radicalaires de métaux abondants pour la conception de matériaux d'électrodes de batteries // earth-abundant metal complexes of redox-active ligands for battery electrode materials

Topic description

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 mAh·g⁻¹, nos systèmes devraient dépasser les mAh·g⁻¹ 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.
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Today, two main types of active electrode materials are used in Li-ion battery (LiB) systems: metal oxides and organic compounds. Combining the advantages of both technologies within a single framework—where electron transfers occur on both the metal center and the organic moieties—has drawn our attention to coordination complexes made of redox-active ligands. Mostly studied as structural or functional models of metalloenzymes, redox-active ligands act as electron reservoirs and can exchange electrons in synergy with the metal center or independently. Beyond bio-inspired chemistry, the design of redox architectures that undergo multiple electron transfers, with tunable redox properties, is foreseen to bring a breakthrough in energy storage. Indeed, electrode materials that would integrate coordination compounds have emerged as promising candidates for next generation Li-ion batteries (including K- and Na-ion). Their multiple reversible electron-transfer processes enable high specific capacities, while their adjustable redox behavior allows control over the electrochemical potential window and solubility.
The current project will design, characterize and evaluate (up to the coin cell!) new positive electrode materials made of earth-abundant-metal coordination complexes grafted on a polymer backbone. Our work will focus on compounds combining eco-compatible transition metals (Ni, Cu) and redox-active ligands derived of a tetradentate bis(o-phenylenediamine) pattern. While the best commercial batteries offer theoretical capacities of mAh·g⁻¹, our systems are expected to go beyond mAh·g⁻¹ over a wide potential window, without compromising the overall energy of the system. Grafting the complexes on a polymer matrix will avoid the dissolution of the molecule in the electrolyte and subsequent battery failure. For this purpose, polyphosphazene is envisioned as the ideal host due to a low-molecular weights and inherent flame-retardant properties.
Supported by our ongoing collaboration and the encouraging preliminary results achieved so far, our project is an innovative project introducing a new class of high-capacity, environmentally-friendly active materials for electrochemical energy storage devices.
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Début de la thèse : 01/10/

Funding category

Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)

Funding further details

Concours pour contrat doctoral