Le stockage de l'énergie est l'un des enjeux les plus cruciaux du 21e siècle. Le développement de matériaux abordables qui possèdent une grande densité d'énergie et qui affichent une grande stabilité est recherché. Une demande croissante venant du domaine de l'électronique portative fait pression sur la recherche de matériaux toujours plus performants. L'émergence des ordinateurs et téléphones portatifs ainsi que des véhicules électriques est la pièce maitresse de cette révolution. Par ailleurs, le stockage de l'énergie dans des batteries géantes, mais stationnaires, permettra au cours des prochaines années de pallier à la réalité de production d'énergie fluctuante du solaire et de l'éolien au cours d'une journée. La batterie Li-ion est présentement la technologie la plus mature pour mener à ce type de réalisation. L'atome de lithium est pourvu d'une petite masse molaire et l'ion lithium possède un petit rayon ionique. Utilisé à l'anode, le lithium permet d'y avoir une grande densité d'énergie, puis une faible résistance ionique dans l'électrolyte une fois oxydé. Par contre, les batteries Li-ion d'aujourd'hui reposent sur des matériaux de cathode dispendieux comme le cobalt, le nickel et le manganèse, dont l'exploitation soulève de grandes questions environnementales et éthiques. Avec une demande croissante pour des batteries de haute performance, des matériaux de cathode abordables, renouvelables et avec un impact environnemental faible doivent être développés. Dans ce contexte, les molécules organiques qui ont une activité redox ont attiré l'attention avec un faible cout de production, une faible toxicité et une abondance naturelle élevée. Parmi les différents groupements fonctionnels démontrant une activité rédox, les groupements carbonylés se démarquent par leur grande diversité, et leur stabilité à l'état réduit. Les matériaux redox typiques contenant des carbonyles sont les quinones, les 1,2-diones et les imides qui reposent sur un mécanisme d'énolisation lors du processus de réduction. La principale limitation que présentent ces molécules est la dissolution dans l'électrolyte. La formation d'un sel organique ou l'incorporation de la molécule électroactive au sein d'un polymère inerte sont des stratégies qui ont été apportées pour pallier à ce problème. La versatilité des molécules possédant des fonctions imides rend possible l'étude de plusieurs polymères π-conjugués qui ont l'avantage de pouvoir conduire davantage les charges injectées. Dans le cadre de ces travaux de doctorat, l'objectif général était de synthétiser de nouveaux polymères π-conjugués contenant des fonctions imides et d'analyser leurs performances en tant que matériau actif de cathode en batterie Li-ion. Les molécules qui ont été étudiées sont le maléimide, le pyromellitique diimide et le pyrène diimide. Des polymères π-conjugués ont été synthétisés avec ces unités en utilisant les techniques d'Ullmann, de Stille, de Suzuki ou d'arylation directe.

Depuis déjà quelques années, la revente d’électricité à partir des accumulateurs de véhicules à propulsion électrique (VPÉ) vers le réseau électrique, que l’on appelle communément « Vehicle-to-Grid » (V2G), a fait l’objet de nombreuses études. Avec l’utilisation de plus en plus répandue d’accumulateurs Li-ion dans les véhicules à propulsion électrique, la question du seuil de rentabilité du prix de vente d’énergie en production V2G devient un facteur important. En effet, le coût des accumulateurs Li-ion est très élevé alors que leurs vie utile est seulement de l’ordre de 1000 cycles de charge-décharge. L’objectif de ce mémoire est d’élaborer les conditions permettant d’établir le seuil de rentabilité technico-économique de la vente d’énergie électrique au réseau en production V2G d’un véhicule à propulsion électrique alimenté par des accumulateurs Li-ion et équipé d’un chargeur bidirectionnel niveau 1 et 2. Pour y arriver, plusieurs paramètres doivent être pris en compte tels que le coût d’achat des accumulateurs, le nombre total de cycles de charge-décharge pouvant être effectué avant que les accumulateurs ne doivent être remplacés, la caractéristique coût-rendement du chargeur bidirectionnel, le coût d’achat d’électricité au réseau électrique et finalement, la quantité d’énergie électrique pouvant être échangée avec le réseau électrique durant une année. Dans un premier temps, la topologie du chargeur bidirectionnel est choisie et une analyse de sa caractéristique coût-rendement est calculée. Par la suite, des cycles de charge-décharge à différentes profondeurs de décharge sont effectués sur des accumulateurs Li-ion afin de quantifier leurs dégradations. L’élaboration d’une équation de seuil de rentabilité, combinée aux résultats de l’analyse de la caractéristique coût-rendement et de la quantification de la dégradation des accumulateurs Li-ion, permet de déterminer l’influence du coût et du rendement du chargeur bidirectionnel et de la dégradation des accumulateurs Li-ion sur le prix de vente d’énergie électrique en production V2G. / In recent years, the use of electricity routed from batteries of plug-in electric vehicles (BEVs: battery electric vehicles and PHEVs: plug-in hybrid electric vehicles) to the power grid for resale purposes, a concept commonly referred to as Vehicle-to-Grid (V2G), has been the subject of numerous studies. With manufacturers opting more frequently for lithium-ion batteries in the production of such plug-in electric vehicles, the profitability in terms of resale price of such V2G-produced energy is put into question. Indeed, Li-ion batteries are rather expensive given their lifespan of approximately 1000 charge-discharge cycles. The ultimate purpose of this Master’s essay is to determine a set of principles to allow for the establishment of an equally lucrative and technologically-economic plan regarding the resale of V2G-produced electrical energy as the result of BEVs and PHEVs equipped with Li-ion batteries supplied by grade 1 and 2 bidirectional chargers. In order to successfully accomplish this feat, numerous factors must be taken into consideration: the cost of such batteries and their durability relative to their maximum attainable number of charge-discharge cycles; the return value of bidirectional chargers; the expenses incurred by the power network in purchasing such electricity; the maximum permissible quantity of electric energy that can be exchanged with the electric grid per year. Initially, the topology of a chosen bidirectional charger undergoes a mathematical analysis of its performance output with regard to its overall cost. Subsequently, multiple charge-discharge cycles are conducted on the lithium-ion batteries at varying discharge intensities in order to evaluate the cells’ deterioration. The former results, combined with the development of a formula for the financial break-even point, demonstrates the effects of a bidirectional charger’s expense and performance, along with the degeneration of Li-ion batteries, on the resale price of V2G-produced electrical energy.

Le potentiel d’oxydoréduction des anodes utilisée dans un pile lithium-ion doit se trouver au-dessus de 0,75V vs Li/Li+ pour rester sécuritaire et ne doit pas excéder 2V vs Li/Li+ pour conserver une puissance adéquate. Suite aux travaux effectués les polythienopyrroledione (PTPD) ont démontré des potentiels d'oxydo-réduction de 1,6V vs Li/Li+ ce qui correspond aux critères établis ci-haut. De plus, ils ont une capacité théorique de 215 mAh/g, ont obtenu une capacité expérimentale de 209 mAh/g. Cette capacité est toutefois inférieure à celle des matériaux d'anodes actuellement sur le marché. Par contre, étant donné que la capacité d'une pile est limitée par la capacité de l'électrode la plus faible, et qu'actuellement les piles lithium-ion sur le marché sont basées sur le LiFePO₄ qui possède une capacité de 170 mAh/g, il serait envisageable que les PTPD puissent potentiellement être des anodes commercialisables.

Le cœur de technologie d'une batterie réside principalement dans les matériaux actifs des électrodes, qui est fondamental pour pouvoir stocker une grande quantité de charge et garantir une bonne durée de vie. Le dioxyde d'étain (SnO₂) a été étudié en tant que matériau d'anode dans les batteries Li-ion (LIB) et Na-ion (NIB), en raison de sa capacité spécifique élevée et sa bonne tenue en régimes de puissance élevés. Cependant, lors du processus de charge/décharge, ce matériau souffre d'une grande expansion volumique qui entraîne une mauvaise cyclabilité, ce qui empêche la mise en oeuvre de SnO₂ dans des accumulateurs commerciaux. Aussi, pour contourner ces problèmes, des solutions pour surmonter les limites de SnO₂ en tant qu'anode dans LIB / NIB seront présentées dans cette thèse. La partie initiale de la thèse est dédié à la production de SnO₂ et de RGO (oxyde de graphène réduit)/SnO₂ par pyrolyse laser puis à sa mise en oeuvre en tant qu'anode. La deuxième partie s'attarde à étudier l'effet du dopage de l'azote sur les performances et permet de démontrer l'effet positif sur le SnO₂ dans les LIB, mais un effet néfaste sur les NIB. La partie finale de la thèse étudie l'effet de l'ingénierie matricielle à travers la production d'un composé ZnSnO₃. Enfin, les résultats obtenus sont comparés avec l'état de l'art et permettent de mettre en perspectives ces travaux. / The heart of battery technology lies primarily in the electrode material, which is fundamental to how much charge can be stored and how long the battery can be cycled. Tin dioxide (SnO₂) has received tremendous attention as an anode material in both Li-ion (LIB) and Na-ion (NIB) batteries, owing to benefits such as high specific capacity and rate capability. However, large volume expansion accompanying charging/discharging process results in poor cycleability that hinders the utilization of SnO₂ in commercial batteries. To this end, engineering solutions to surmount the limitations facing SnO₂ as an anode in LIB/NIB will be presented in this thesis. The initial part of the thesis focuses on producing SnO₂ and rGO (reduced graphene oxide)/SnO₂ through laser pyrolysis and its application as an anode. The following segment studies the effect of nitrogen doping, where it was found to have a positive effect on SnO₂ in LIB, but a detrimental effect in NIB. The final part of the thesis investigates the effect of matrix engineering through the production of a ZnSnO₃ compound. Finally, the obtained results will be compared and to understand the implications that they may possess.

Les batteries lithium-ion dépendent de l’utilisation d’électrodes composites positives, traditionnellement préparées avec des liants fluorés tels que le polyfluorure de vinylidène (PVDF). Ceux-ci sont souvent dissouts ou dispersés dans des solvants toxiques et inflammables. Les interdictions récentes des substances per- et polyfluoroalkyles (PFAS), qualifiées de polluants éternels, imposent le développement d'alternatives durables pour atténuer les dommages environnementaux supplémentaires. La carboxyméthylcellulose (CMC) est une alternative prometteuse aux liants à base de PFAS car elle est biosourcée, biodégradable et soluble dans l'eau. Cependant, le processus d'utilisation d'un liant aqueux durable de CMC avec un matériau actif sensible à l'humidité, Li(Ni0.6Mn0.2Co0.2)O2, NMC622, dans une électrode composite positive présente un grand défi. Une avancée notable est l'application d'un revêtement protecteur qui peut être appliqué directement sur la surface des particules du matériau actif à l'aide d'un jet de plasma à pression atmosphérique (APPJ). Dans cette étude, l'APPJ a été utilisé pour déposer un revêtement organosilicié sur les particules de NMC622. Les particules de NMC enrobées ont subi des tests chimiques et électrochimiques rigoureux pour déterminer leur composition chimique et leur microstructure modifiée. Bien que ces résultats soient prometteurs, la performance électrochimique, mesurée par la capacité spécifique, la densité énergétique, l’efficacité coulombique, la stabilité cyclique, la durée de vie et la stabilité mécanique, n’est pas optimale, possiblement en raison de la dégradation préalable du matériau actif et d’une couverture inhomogène. Les particules enrobées ont connu un degré de protection contre l'exposition à l'humidité, aux électrolytes courants et aux environnements aqueux. La présence du revêtement s'est avérée préserver la microstructure des particules sans avoir d'impact significatif sur les propriétés électrochimiques du matériau, telles que la capacité spécifique et l’efficacité coulombique. / Lithium-ion batteries rely on the use of positive composite electrodes, which are traditionally prepared using fluorinated binders such as polyvinylidene fluoride (PVDF). These are often dissolved or dispersed in toxic and flammable solvents. Recent bans on ‟forever chemicals” per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) impose the development of sustainable alternatives to mitigate further environmental damage. Carboxymethyl cellulose (CMC) is a promising alternative to PFAS-based binders as it is bio-sourced, bio-degradable, and water-soluble. However, the process of using a sustainable CMC aqueous binder with a humidity sensitive active material, Li(Ni0.6Mn0.2Co0.2)O2, NMC622, in a positive composite electrode is challenging. One notable advancement is the application of a protective coating that can be applied directly on the active material particles surface using atmospheric pressure plasma jet (APPJ). In this study, the APPJ was used to deposit an organosilicon coating onto NMC622 particles. The coated NMC particles underwent rigorous chemical and electrochemical testing to determine the chemical composition, and microstructure of the modified particles. Despite promising indications, the electrochemical performance, measured by specific capacity, energy density, coulombic efficiency, cycling stability, lifetime and mechanical stability, is not optimal due possibly to the priori degraded active material and inhomogeneous coverage. The coated particles experienced a degree of protection from exposure to humidity, common electrolytes, and aqueous environments. The presence of the coating was found to preserve particle microstructure without having a significant impact on the electrochemical properties of the material, such as specific capacity and coulombic efficiency.

Dans cette thèse, nous avons effectué une étude de la stabilité thermique de quelques matériaux, utilisés comme cathodes dans les batteries au lithium-ion (BLIs), afin de contribuer à l’amélioration de leur fonctionnement. Deux matériaux, potentiellement prometteurs pour les applications d’envergure des BLIs – telles que les véhicules électriques –, ont été choisis pour cette étude. Il s’agit du phosphate de fer lithié (LiFePO4) et de l’oxyde de nickel et de manganèse de structure-type spinelle (LiMn1.5Ni0.5O4). En plus de l’étude du mécanisme de décomposition de ce dernier, l’effet de la substitution partielle du manganèse dans le matériau original (LiMn2O4) par du nickel sur la réactivité a été mise en évidence. Ces études ont été menées grâce à la calorimétrie adiabatique afin de simuler les conditions thermiques retrouvées dans des BLIs où l’environnement est quasi-adiabatique. L’effet de trois méthodes de synthèse sur la réactivité a été examiné pour LiFePO4. Nos résultats ont montré que, contrairement aux autres matériaux de cathodes, la stabilité thermique globale de LiFePO4 est peu affectée par la méthode de synthèse. Toutefois, cette stabilité intrinsèque dont le LiFePO4 bénéficie ne le met pas à l’abri des conditions d’abus de source externes. Ainsi, nous avons développé une nouvelle classe d’additifs électrolytiques pour la protection de LiFePO4 contre la surcharge. Ces derniers consistent en l’incorporation d’une navette redox dans un liquide ionique; tirant ainsi profit des avantages des deux espèces. Notre approche nous a permis d’atteindre une concentration aussi élevée qu’une mole par litre de notre additif dans des électrolytes conventionnels. Nous avons montré qu’à une concentration optimale de 0.7 M, ces liquides ioniques fonctionnalisés ont assuré la protection de LiFePO4 contre la surcharge pour plus de 200 cycles; et ce, sans affecter ses performances électrochimiques. Finalement, pour ce qui est du deuxième matériau de cathode, nous avons établi un mécanisme de décomposition de LiMn1.5Ni0.5O4 à hautes températures en présence de l’électrolyte. En plus, notre étude a montré que la substitution partielle du manganèse par le nickel dans LiMn2O4 pour augmenter son potentiel opérationnel a affecté à la baisse sa stabilité thermique; et ce, à des températures aussi basses que 60 °C. / In this thesis, we have investigated the thermal stability of cathode materials used in lithium-ion batteries (LIBs). Using accelerating rate calorimetry, the study was carried out on two of the most attractive cathode materials for large scale LIBs; namely, lithium iron phosphate (LiFePO4) and nickel-manganese spinel oxide (LiMn1.5Ni0.5O4). While the impact of partial nickel substitution for manganese in LiMn2O4 was investigated for LiMn1.5Ni0.5O4 along with its decomposition mechanism, the effect of the synthetic method was evaluated for LiFePO4. Our results have demonstrated that the high intrinsic thermal stability of LiFePO4 was only slightly affected by the synthetic method within the three studied routes. In order to enhance the safe operation of this material by providing a protection form electrical abuse during overcharge, we have developed a new class of overcharge protection additives. By combining a redox shuttle with an ionic liquid, we were able, for the first time, to dissolve the additive for protection against overcharge at concentrations up to 1 M in conventional electrolytes for LIBs. Our results have shown an overcharge protection of LiFePO4 for over 200 cycles, using an optimal concentration of 0.7 M, without compromising its electrochemical performances. Finally, by studying the thermal behavior of LiMn1.5Ni0.5O4 at different temperatures, we were able to establish the decomposition mechanism of this material. Moreover, our study has proven that the presence of nickel in LiMn1.5Ni0.5O4, that ensures the high voltage of this cathode material, is also responsible for the very poor thermal stability of this material at temperatures as low as 60 ºC.