Le domaine émergeant de l’électronique imprimée nécessite de nouveaux matériaux peu coûteux et non toxiques pour réaliser de nombreux systèmes tels que des circuits logiques, des capteurs, des affichages, des thermoélectriques ou même du photovoltaïque sur substrat souple. Il s’agit aussi d’optimiser le fonctionnement de couches granulaires de semiconducteurs de type n et p.BiCuOS a été identifié comme un semiconducteur de type p possédant des propriétés intéressantes. Cependant, sa forte sous stoechiométrie en cuivre induit un dopage de type p trop élevé qui nuit à ses propriétés semiconductrices. De plus, comme la plupart des composés à base de chalcogénures, BiCuOS se décompose lors d’un frittage, et ne peut être densifié thermiquement. Dans le but d’optimiser des couches minces de BiCuOS, des solutions doivent ainsi être trouvées pour i) réduire le taux de dopage ; ii) obtenir de bonnes mobilités dans des couche peu denses. De nombreuses substitutions chimiques ont été essayées telles que celle du soufre par l’iode et celle du cuivre par l’argent. Ces substitutions ont permis de réduire fortement le taux de porteurs de charge. D’autre part, nous avons étudié l’effet du greffage de molécules à la surface des grains de semiconducteurs sur la conduction électronique. Des molécules conjuguées (acides téréphtaliques substitués) et des polymères dérivés des polythiophènes ont été adsorbés à la surface d’un semiconducteur modèle de type n, ZnO. L’amélioration du transfert électronique intergranulaire a été expliquée par le saut des électrons au travers de la LUMO de ces molécules.L’élaboration d’encres de particules semiconductrices stabilisées par de telles molécules a permis la fabrication par voie liquide de jonctions diodes p-n ZnO/BiCuOS avec de bonnes performances malgré l’absence de propriétés photovoltaïques. Plus largement, ce travail est une contribution à la mise en forme de nouveaux systèmes d’électronique hybride par voie de chimie douce, dont le développement permettrait la commercialisation de technologies plus respectueuses de l’environnement. / The emerging domain of printed electronics requires new cheap and non-toxic materials for applications such as logic devices, sensors, displays, thermoelectric and photovoltaic devices. It also requires optimizing the conduction in granular semiconductors. BiCuOS has been identified as a promising p-type semiconductor for such applications. However, its high copper under-stoichiometry, induces an important p-type doping, which is detrimental for its use as a photovoltaic absorber. Moreover, like all chalcogenide based materials, it shows a poor chemical stability during sintering, thermal treatment necessary to enhance transport properties. In order to optimize its properties, solutions must be found i) to control the doping content, ii) to obtain good charge carrier mobilities in thin films. On the one hand, we have explored different kinds of substitutions such as iodine for sulfur or silver for copper, which successfully enabled to strongly reduce the charge carrier density. On the other hand, we have studied the effect of grafting conjugated molecules (terephthalic acid and polythiophene derivatives) onto the surface of a model n-type semiconductor (ZnO) to study their effect on the intergranular transport. Electronic transfer improvement occurs by transfer though a lowered energy barrier formed by the LUMO of the molecules. The formulation of optimized inks using these molecules as additives allowed the thin film deposition of p-n diodes formed with ZnO/BiCuOS. Although no photovoltaic effect has been detected yet, the p-n junctions showed high nonlinear properties and are strongly photosensitive. With this work, we have participated to the elaboration of new sulfides and hybrid interfaces systems for the improvement of semiconductor devices. The development of such hybrid electronic devices through soft chemistry method is a valuable step towards the commercialization of sustainable technologies.

La technologie mousse utilisée actuellement pour la conception des électrodes positives des batteries Ni-MH, nécessite l'emploi d'un additif conducteur au cobalt en raison de la mauvaise conductivité électronique de la matière active Ni(OH)₂. La recherche de nouveaux composés au cobalt constitue un point clé en vue du développement de ces batteries vers des applications de forte puissance. Dans ce contexte, deux additifs conducteurs potentiels ont été étudiés au cours de ces travaux de thèse.<br />La première partie de l'étude a été focalisée sur des phases spinelle H_xLi_yCo_3-δO₄ conductrices, synthétisées par oxydation électrochimique de l'oxyde CoO. Une forte influence du traitement thermique du matériau sur sa conductivité électronique a été mise en évidence. Des analyses par diffraction des rayons X in situ, ATG-SM, RMN et des mesures de conductivités électroniques ont permis de mettre en évidence une redistribution cationique au sein de la structure spinelle, conduisant à une augmentation du rapport atomique Co⁴⁺/Co³⁺ dans le réseau octaédrique [Co₂O₄], sans variation du degré d'oxydation moyen du cobalt. Il s'ensuit une augmentation de la conductivité électronique du matériau de trois ordres de grandeur. Le second axe de la thèse concerne l'étude du comportement électrochimique de l'additif Na_0.6CoO₂. Les réactions d'échange/insertion des ions alcalins mises en jeu au cours des processus d'oxydation et de réduction de la phase initiale ont été étudiées en détail et un mécanisme a pu être proposé. L'oxyhydroxyde de cobalt hydraté γ, formé par oxydation de Na_0.6CoO₂ au cours du cyclage, s'est avéré présenter de très bonnes performances lors des tests en batteries. La formation d'une phase interstratifiée intermédiaire, qui possède une cinétique de réduction lente, permet de conserver la stabilité de l'additif à bas potentiel et par conséquent, l'intégrité du réseau conducteur.

Ce travail est consacre à la synthèse et à la caractérisation de nouveaux hydroxydes de nickel substitues au cobalt et à l'aluminium. La présence de 25% d'ions trivalents permet d'assurer la cohésion de la structure de type alpha, ainsi que la stabilité chimique de ces matériaux en milieu alcalin concentre. L'étude électrochimique montre que le couple alpha/gamma est parfaitement stabilise lorsque le taux d'aluminium est supérieur a 15%. En revanche, pour des taux inférieurs, il se produit une évolution progressive du couple alpha/gamma vers le couple bêta (II)/bêta (III), accompagnée d'une baisse de la capacité. Ce phénomène est du à une ségrégation des ions cobalt qui mené a une démixtion de la phase alpha initiale en un mélange d'hydroxyde de nickel et d'oxymydroxyde de cobalt de type bêta. Le système des oxyhydroxydes de cobalt a été étudié. Deux phases notées bêta (III) et gamma ont été préparées par chimie douce. Leurs structures ainsi que leurs propriétés électriques ont été clairement mises en évidence. Enfin, leur utilisation comme conducteur électronique post-rapporte a l'hydroxyde de nickel a conduit a des performances électrochimiques prometteuses sur le plan applique.

Cotutelle entre l'Université de Montréal et l'Université catholique de Louvain / Les batteries aux ions lithium (BIL) sont considérées comme la technologie la plus prometteuse en matière de stockage d’énergie. Elles possèdent les plus hautes densités d’énergie connues, permettant la miniaturisation constante des appareils électroniques commercialisés. La recherche dans le domaine des BIL s’est plus récemment tournée vers leur implémentation dans les véhicules électriques, qui nécessitera de plus hautes densités d’énergie et de puissance . Une manière concrète d’augmenter la densité d’énergie d’une BIL est d’en augmenter le voltage de cellule. Pour se faire, la nouvelle génération de batteries sera composée de matériaux d’électrode positive à haut potentiel (tel que LiMn1.5Ni0.5O4 avec un potentiel de 4.7 V vs. Li+ /Li) et de lithium métallique en électrode négative. Néanmoins, l’introduction de ces matériaux d’électrode positive à haut potentiel est limitée par la stabilité électrochimique de l’électrolyte liquide conventionnel, composé d’un sel de lithium et de solvants organiques (typiquement LiPF6 + EC/DEC), qui s’oxyde autour de 4.2 V vs. Li+/Li , . L’utilisation du lithium métallique comme électrode négative est entravée par la nature liquide de l’électrolyte conventionnel, qui n’offre pas assez de résistance mécanique pour empêcher la formation de dendrites de lithium, causant à terme le court-circuit de la batterie. De tels courts-circuits présentent un risque d’incendie car les électrolytes liquides sont composés de solvants organiques inflammables à basse température, posant un sérieux problème de sécurité. Les électrolytes solides, de type céramique ou polymères, sont développés en alternative aux électrolytes liquides. Ils ne contiennent aucun solvant inflammable et sont stables à haute température. Ils constituent l’élément clé d’une nouvelle génération de batteries au lithium dite batteries au lithium tout-solide. Ces dernières sont développées pour répondre à des attentes élevées en termes de sécurité, de stabilité et de haute densité d’énergie. Les électrolytes solides doivent satisfaire un certain nombre d'exigences avant de pouvoir être commercialisés, notamment posséder une conductivité ionique élevée, une large fenêtre de stabilité électrochimique et une conductivité électronique négligeable. Ces propriétés constituent les critères les plus importants à prendre en compte pour la sélection de matériaux d’électrolytes solides. Cependant, on remarque dans la littérature que la majorité des études se concentre sur la conductivité ionique des électrolytes solides, reléguant au second plan l’exploration de leurs stabilité électrochimique et conductivité électronique. La fenêtre de stabilité électrochimique a longtemps été annoncée comme étant très large chez les électrolytes solides céramiques (au moins de 0 à 5 V vs. Li+/Li). Néanmoins, des études plus récentes tendent à démontrer que la valeur de cette fenêtre dépend grandement de la méthode électrochimique utilisée pour la mesurer, et qu’elle est de surcroit souvent surestimée. Dans ce contexte, le premier objectif de cette thèse a été de développer une méthode pertinente pour déterminer la fenêtre de stabilité des électrolytes solides avec précision. Cette méthode a été optimisée et validée sur des électrolytes solides céramiques phare comme Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3, Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3 et Li7La3Zr2O12. Quant à la conductivité électronique, elle est rarement étudiée dans les électrolytes solides, qui sont considérés comme isolants électroniques compte tenu de leur large bande interdite. Cela dit, de récentes études à ce sujet prouvent que malgré leur bande interdite, les électrolytes solides peuvent générer de la conductivité électronique par le biais de défauts, et que celle-ci, même faible, peut éventuellement mettre l’électrolyte en échec. Pour cette raison, le second objectif de ce projet de thèse a été d’explorer la formation de défauts dans les électrolytes solides afin de déterminer leur effet sur la génération de conductivité électronique. Pour avoir une vision d’ensemble, les premiers-principes ont été utilisés pour étudier six électrolytes solides largement utilisés notamment LiGe2(PO4)3, LiTi2(PO4)3, Li7La3Zr2O12, et Li3PS4. / Lithium-ion batteries (LIBs) are considered the most promising energy storage technology. LIBs electrode materials have the highest known energy densities, allowing the constant miniaturization of commercial electronic devices. Research in the field of LIBs has more recently turned to their implementation in electric vehicles, which will require higher energy and power densities . A concrete way to increase the energy density of LIBs is to increase the cell voltage. To do so, the new generation of batteries will be composed of high potential positive electrode materials (such as LiMn1.5Ni0.5O4 with a potential of 4.7 V vs. Li+/Li) and metallic lithium in the negative electrode. Nevertheless, the introduction of these high potential positive electrode materials is limited by the electrochemical stability of conventional liquid electrolytes, composed of a lithium salt and organic solvents (LiPF6 + EC/DEC), which gets oxidized around 4.2 V vs. Li+/Li , . The use of metallic lithium as the negative electrode is also hindered by the liquid nature of the conventional electrolyte, which does not offer enough mechanical resistance to prevent the formation of lithium dendrites, ultimately causing a short-circuit of the battery. Such short-circuits are likely to lead to thermal runaway because liquid electrolytes are composed of organic solvents that are flammable at low temperature, posing a serious safety issue. Solid electrolytes, based on ceramics or polymers, are developed as an alternative to liquid electrolytes. They contain no flammable solvents and are stable at high temperatures. They are the key element of a new generation of lithium batteries called all-solid-state lithium batteries. These are developed to meet high expectations in terms of safety, stability and high energy density. Solid electrolytes must satisfy a number of requirements before they can be commercialized, including possessing a high ionic conductivity, a wide electrochemical stability window and negligible electronic conductivity. These properties are the most important criteria to consider when selecting solid electrolyte materials. However, the majority of studies found in the literature focuses on the ionic conductivity of solid electrolytes, overshadowing the exploration of their electrochemical stability and electronic conductivity. The electrochemical stability window has long been reported to be very wide in ceramic solid electrolytes (at least from 0 to 5 V vs. Li+/Li). Nevertheless, more recent studies tend to show that the value of this window depends greatly on the electrochemical method used to measure it, and that it is often overestimated. In this context, the first objective of this thesis was to develop a relevant method to determine the stability window of solid electrolytes with precision. This method was optimized and validated on flagship ceramic solid electrolytes such as Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3, Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3 and Li7La3Zr2O12. As for the electronic conductivity, it is scarcely studied in solid electrolytes, which are considered as electronic insulators given their wide band gaps. That being said, more recent studies on this subject proved that despite their band gap, solid electrolytes can generate electronic conductivity through defects, and that electronic conductivity, even if it is weak, can eventually cause the failure of the electrolyte. For this reason, the second objective of this thesis project was to explore the formation of defects in solid electrolytes in order to determine their effect on the generation of electronic conductivity. To get a better overview, first-principles were used to investigate six widely used ceramic solid electrolytes, including LiGe2(PO4)3, LiTi2(PO4)3, Li7La3Zr2O12, and Li3PS4.

Les travaux de recherche actuels menés dans le domaine des supercondensateurs s’orientent vers l’augmentation des densités d’énergie, notamment via le développement de supercondensateurs hybrides "oxydes de métaux de transition / carbones activés". Dans ce contexte, les présents travaux avaient pour objectif d’évaluer les propriétés d’oxydes de cobalt nanométriques en tant que matériaux d’électrode positive pour supercondensateur hybride.Ces oxydes de cobalt, de structure spinelle, sont préparés par précipitation de nitrate de cobalt en milieu basique (T < 90 °C). Ils possèdent une formule chimique du type HxLiyCo3-δO4•zH2O et présentent une bonne conductivité électronique grâce à la présence d’ions H+, Li+ et Co4+. Les analyses par DRX, ATG, RMN et les mesures de conductivité électroniques ont mis en évidence une réorganisation de la structure spinelle de ces matériaux sous l’effet d’un traitement thermique, conduisant à une augmentation du rapport Co4+/Co3+ ainsi qu’à une amélioration des propriétés de transport électrique. L’association d’une conductivité électronique élevée et d’une forte surface spécifique confère à ces oxydes des performances prometteuses en tant que matériaux d’électrode.L’étude des propriétés électrochimiques a montré la présence de deux modes de stockage des charges, l’un électrostatique (double couche électrochimique) et l’autre faradique via l’oxydation et la réduction du cobalt. Elle a également permis de déterminer la signature électrochimique de ces oxydes (capacité, fenêtre de potentiels), prérequis indispensable à leur intégration dans une cellule complète. Finalement, un supercondensateur hybride "oxyde de cobalt / carbone activé" a été assemblé et équilibré, donnant lieu à des performances attractives (61,6 F/g sur 1,60 V). / Investigations on supercapacitors are focusing on increasing energy densities, in particular with the development of hybrid supercapacitors "metal oxides / activated carbons". In this field, the present work aims at evaluating nanometric cobalt oxides as positive electrode material for hybrid supercapacitors.These oxides, with spinel structure, are synthesized by precipitation of cobalt nitrate in a basic medium (T < 90 °C). They exhibit formulae such as HxLiyCo3-δO4•zH2O and good electronic properties thanks to the presence of H+, Li+ and Co4+ ions. XRD, TGA, NMR analysis as well as electronic measurements have highlighted a structural reorganization of the spinel structure under thermal treatment, resulting in increase of the Co4+/Co3+ ratio and an enhancement of the electronic transport properties. The high electronic conductivity together with a huge specific surface area imparts these oxides promising performances as electrode material.The study of the electrochemical properties underlines two charge storage mechanisms, one electrostatic (electrochemical double layer) and the other one faradic through the oxidation and the reduction of cobalt. The electrochemical signature (capacity, potential window) of these oxides was also determined in order to develop a complete cell. Finally, a hybrid supercapacitor "cobalt oxide / activated carbon" was assembled and balanced, revealing attractive performances (61,6 F/g over 1,60 V).

Ces travaux ont permis d'approfondir les mécanismes de (dé)lithiation et de vieillissement dans des électrodes à base de silicium et de LiFePO4 pour accumulateurs Li-ion à partir d'observations multi-échelles. Des cartographies de phases, autant à l'échelle de la particule qu'à l'échelle de l'électrode, ont été menées par microscopie électronique mettant en évidence de fortes hétérogénéités. Pour le silicium, la mise en place de cartographie unique par STEM/EELS, s'appuyant sur une base de données des pertes faibles d'alliages sensibles à l'air et au faisceau d'électrons, a permis de comprendre les mécanismes de lithiation à l'échelle du nanomètre. L'étude de la première lithiation a montré des différences de mécanismes de réaction avec le lithium suivant deux facteurs : la taille des particules et les défauts au sein de celles-ci. Il a été observé une composition d'alliage LixSi plus faible pour les nanoparticules que pour les microparticules. Les défauts dus notamment au broyage constituent des sites préférentiels de lithiation. En vieillissement, les nanoparticules subissent de profonds changements structuraux et morphologiques, passant d'un état sphérique cristallin (50 nm) à un réseau de fils amorphe (5-10 nm d'épaisseur) contenu dans une matrice de SEI. Pour le LiFePO4, il a été clairement montré, par la combinaison de plusieurs techniques de microscopies électroniques (diffraction des électrons en précession, EFSD : Electron Forward Scattering Diffraction, EFTEM), que les particules de taille nanométrique (100-200 nm) étaient soit entièrement lithiées soit entièrement délithiées à l'équilibre thermodynamique. De fortes hétérogénéités ont été observées dans les électrodes fines comme dans les électrodes épaisses. A l'échelle des particules, l'analyse statistique de plus de 64000 particules a montré que les plus petites particules se délithient en premier. A l'échelle de l'agglomérat, les cartographies de phases ont révélé un mécanisme " cœur-coquille " : la réaction débute de la surface vers le centre des agglomérats. A l'échelle de l'électrode, le front de propagation de phase se déplace suivant des chemins préférentiels de plus grandes porosités de la surface de l'électrode vers le collecteur de courant. La conductivité ionique au sein de nos électrodes est le facteur limitant.

Les travaux de recherche actuels menés dans le domaine des supercondensateurs s'orientent vers l'augmentation des densités d'énergie, notamment via le développement de supercondensateurs hybrides "oxydes de métaux de transition / carbones activés". Dans ce contexte, les présents travaux avaient pour objectif d'évaluer les propriétés d'oxydes de cobalt nanométriques en tant que matériaux d'électrode positive pour supercondensateur hybride.Ces oxydes de cobalt, de structure spinelle, sont préparés par précipitation de nitrate de cobalt en milieu basique (T < 90 °C). Ils possèdent une formule chimique du type HxLiyCo3-δO4*zH2O et présentent une bonne conductivité électronique grâce à la présence d'ions H+, Li+ et Co4+. Les analyses par DRX, ATG, RMN et les mesures de conductivité électroniques ont mis en évidence une réorganisation de la structure spinelle de ces matériaux sous l'effet d'un traitement thermique, conduisant à une augmentation du rapport Co4+/Co3+ ainsi qu'à une amélioration des propriétés de transport électrique. L'association d'une conductivité électronique élevée et d'une forte surface spécifique confère à ces oxydes des performances prometteuses en tant que matériaux d'électrode.L'étude des propriétés électrochimiques a montré la présence de deux modes de stockage des charges, l'un électrostatique (double couche électrochimique) et l'autre faradique via l'oxydation et la réduction du cobalt. Elle a également permis de déterminer la signature électrochimique de ces oxydes (capacité, fenêtre de potentiels), prérequis indispensable à leur intégration dans une cellule complète. Finalement, un supercondensateur hybride "oxyde de cobalt / carbone activé" a été assemblé et équilibré, donnant lieu à des performances attractives (61,6 F/g sur 1,60 V).