La dégradation accélérée des membranes conductrices protoniques en pile est en partie due à une oxydation induite par la production d'H2O2. Cette étude présente une stratégie originale de stabilisation chimique d'une matrice de sPEEK par l'inclusion de nano-charges stabilisantes. Quatre nano-charges ont été préparées par fonctionnalisation de nanoparticules de silice avec des fonctions chimiques organosoufrées (disulfure, tétrasulfure et thiourée). Un protocole spécifique de mise en forme des membranes hybrides a permis d'obtenir des composites présentant des propriétés mécaniques et une conductivité protonique compatibles avec l'application pile. Les fonctions polysulfures permettent de ralentir la dégradation de la matrice de sPEEK durant l'étape de mise en œuvre et d'augmenter sa conductivité au cours d'un vieillissement ex-situ (H2O2). En présence de fonctions tétrasulfures, la membrane sPEEK ne se dégrade pas durant un test de 1200h en OCV à 70°C et 100%HR.

Le développement de la pile à combustible repose sur une amélioration de la durabilité des assemblages membrane-électrodes (AMEs). La durée de vie des AMEs dépend, entre autres, de la nature des matériaux utilisés ainsi que des conditions de fonctionnement de la pile. La dégradation peut être d'origine électrochimique, chimique, et/ou mécanique. <br /> <br />Cette étude porte sur la compréhension des mécanismes mis en jeu lors du vieillissement de membranes alternatives, non fluorées, de type PEEKs et PIs, étape indispensable au développement de structures plus stables. Dans ce cas, le processus est avant tout chimique. Une démarche originale, qui consiste à étudier le mécanisme de dégradation sur des structures modèles, a été adoptée afin de contourner les difficultés analytiques propres aux polymères. Les vieillissements sont réalisés dans l'eau, éventuellement additionnée de H2O2 (identifié comme une des causes du vieillissement chimique des membranes en pile), à différentes températures. La démarche consiste à isoler par chromatographie les différents produits formés, à les identifier (RMN, IR, SM) et à les quantifier. Ceci nous a permis d'établir le mécanisme de vieillissement. Nous avons en particulier montré que le vieillissement d'une structure PEEKs résulte principalement d'une attaque par les bouts de chaîne qui se propage à l'ensemble. Ce mécanisme a été validé sur une membrane vieillie en ex-situ et testée en pile. Ces deux types de vieillissement conduisent à une diminution importante du degré de polymérisation (déterminé par CES) et à la formation des mêmes produits primaires de dégradation. En pile, une dégradation hétérogène est mise en évidence essentiellement côté cathode. <br /><br />Les PIs sont connus pour leur forte sensibilité à l'hydrolyse. Toutefois, nous avons pu montrer que la dégradation est relativement limitée à 80°C en raison d'une recombinaison des espèces hydrolysées.

La dégradation accélérée des membranes conductrices protoniques en pile est en partie due à une oxydation induite par la production d'H2O2. Cette étude présente une stratégie originale de stabilisation chimique d'une matrice de sPEEK par l'inclusion de nano-charges stabilisantes. Quatre nano-charges ont été préparées par fonctionnalisation de nanoparticules de silice avec des fonctions chimiques organosoufrées (disulfure, tétrasulfure et thiourée). Un protocole spécifique de mise en forme des membranes hybrides a permis d'obtenir des composites présentant des propriétés mécaniques et une conductivité protonique compatibles avec l'application pile. Les fonctions polysulfures permettent de ralentir la dégradation de la matrice de sPEEK durant l'étape de mise en œuvre et d'augmenter sa conductivité au cours d'un vieillissement ex-situ (H2O2). En présence de fonctions tétrasulfures, la membrane sPEEK ne se dégrade pas durant un test de 1200h en OCV à 70°C et 100%HR. / One of the origins of the accelerated aging of proton exchange membranes used in Fuel Cells is the oxidation induced by H2O2 formation. This work concerns the development of a new way to chemically stabilize a sPEEK membrane by the addition of stabilizing nano-fillers. Four fillers were synthesized by grafting organosulfur functions (disulfide, tetrasulfide and thiourea) onto silica nanoparticles. A specific protocol to prepare hybrid membranes led to materials with suitable mechanical properties and proton conductivity for fuel cells application. Polysulfides allow a significant decrease of the matrix degradation occurring during membrane processing and also a large increase of the proton conductivity of this matrix during ex-situ aging tests (H2O2). A membrane containing tetrasulfide nano-fillers could withstand 1200h in OCV condition at 70°C and 100%RH, without showing any sign of degradation.

Dans la perspective du développement de générateurs rechargeables au lithium, la problématique a été de prouver la valididté du concept Li/électrolyte polymère gélifié/LiMn2O4. La faisabilité d'électrolytes polymères à forte conductivité en ions lithium, obtenus par la technique de plastification externe, a été établie. Leur stabilité électrochimique est compatible avec une utilisation en tant que séparateur. Différents matériaux d'électrode positive, de structure spinelle (oxyde de lithium et de manganèse) ont été synthétisés puis caractérisés par des techniques diverses, en vue d'établir l'influence de la morphologie et de la composition sur le comportement électrochimiqie et d'éclaircir le mécanisme d'insertion des ions lithium.

De nouvelles familles de liquides ioniques conducteurs par ion lithium; à anions aromatiques et aliphatiques de type perfluorosulfonate perfluorosulfonylimidure attachés à des oligoéthers (méthoxy polyéthylène glycol mPEG) de longueurs différentes ont été synthétisées et caractérisées dans le but d'améliorer l'interaction entre les chaînes de POE et les sels de lithium en améliorant la mobilité segmentaire. Ainsi différentes membranes amorphes ou peu cristallines améliorent le transport cationique par rapport aux électrolytes polymères usuels. . Leurs propriétés ont été évaluées dans deux types de polymères hôtes : un polyéther linéaire (POE) et un polyéther réticulé préparé par un procédé "VERT". Leurs parties oligooxyéthylène aident à la solvatation des cations lithium et conduisent à l'augmentation des propriétés de transport; c'est à dire la conductivité cationique et le nombre de transport. Leurs stabilités thermiques et électrochimiques sont adaptées à l'application batterie lithium-polymère. / The new families of lithium-conducting ionic liquids; aromatic and aliphatic lithium salts based on perfluorosulfonate and perfluorosulfonylimide anions attached to an oligoether (methoxy polyethylene glycol mPEG) with different lengths were synthesized and characterized with the aim to improve the salt interaction with the host polymer's POE chains while keeping a high segmental mobility. They allowed obtaining membranes with lower crystallization degree and higher cationic transport number as compared with benchmarked salts. Their properties as lithium salts were investigated in two types of host polymers i.e. a linear polyether (POE) and a cross-linked polyether prepared by a ‘GREEN' process. Their oligooxyethylene moieties improve the lithium cation solvation leading to an increase in cationic transference numbers. Their electrochemical and thermal stabilities are suitable for lithium battery application.

Les membranes à base de liquides ioniques à conduction protonique (PCIL) sont très prometteuses comme électrolytes des piles à combustible haute température (HT- PEMFC) du fait de leur forte conductivité et stabilité à des températures supérieures à 100°C. L'objectif de cette thèse est de réaliser une étude approfondie sur l'évolution de la morphologie et des propriétés fonctionnelles, des membranes à base de liquides ioniques, avec i) la concentration en PCIL, ii) la méthode d'élaboration et iii) la structure chimique du PCIL. Afin de prouver la potentialité de ces membranes dans le HT-PEMFC, des tests préliminaires en pile sont réalisés et les phénomènes de dégradation des PCIL et des membranes en présence de peroxyde d'hydrogène sont étudiés. La première partie de ce travail est focalisée sur la caractérisation des membranes de Nafion® neutralisées avec le triéthylamine (Nafion-TEA) et gonflées avec triflate de triéthylammonium (TFTEA). Il a été montré que dans le Nafion-TEA sec, les cations présentent une organisation de type " string like " à l'interface hydrophobe-hydrophile. L'introduction du TFTEA dans la membrane Nafion-TEA ne détruit pas sa nano-structuration, mais augmente de manière significative la conductivité ionique du système. La deuxième partie de ce travail nous a permis d'établir que les membranes dopées élaborées par coulée-évaporation présentent une meilleure organisation et une meilleure tenue thermomécanique par rapport à celles obtenues par gonflement. La troisième partie de ce travail est focalisée sur l'étude de l'impact de la nature chimique du PCIL sur la morphologie et les propriétés fonctionnelles des membranes de Nafion-TEA. Il a été démontré que les PCILs avec longues chaînes perfluorées ne modifient pas la nano-structuration du Nafion-TEA. Ceci a un impact fort sur les propriétés de conductivité, de sorption d'eau et sur les propriétés thermomécaniques de la membrane. Dans la dernière partie, des Ionomères aromatiques ont été synthétisés afin de remplacer le Nafion-TEA. Malgré la structure similaire de la chaîne latérale des Ionomères aromatiques et du Nafion®, les membranes à base d'Ionomères aromatiques et TFTEA ne présentent aucune nano-structuration. De plus l'effet plastifiant du TFTEA est plus notable dans le cas des Ionomères aromatiques probablement du fait d'une distribution aléatoire des fonctions ioniques dans la membrane polymère.

Les membranes à base de liquides ioniques à conduction protonique (PCIL) sont très prometteuses comme électrolytes des piles à combustible haute température (HT- PEMFC) du fait de leur forte conductivité et stabilité à des températures supérieures à 100°C. L'objectif de cette thèse est de réaliser une étude approfondie sur l'évolution de la morphologie et des propriétés fonctionnelles, des membranes à base de liquides ioniques, avec i) la concentration en PCIL, ii) la méthode d’élaboration et iii) la structure chimique du PCIL. Afin de prouver la potentialité de ces membranes dans le HT-PEMFC, des tests préliminaires en pile sont réalisés et les phénomènes de dégradation des PCIL et des membranes en présence de peroxyde d'hydrogène sont étudiés. La première partie de ce travail est focalisée sur la caractérisation des membranes de Nafion® neutralisées avec le triéthylamine (Nafion-TEA) et gonflées avec triflate de triéthylammonium (TFTEA). Il a été montré que dans le Nafion-TEA sec, les cations présentent une organisation de type « string like » à l'interface hydrophobe-hydrophile. L’introduction du TFTEA dans la membrane Nafion-TEA ne détruit pas sa nano-structuration, mais augmente de manière significative la conductivité ionique du système. La deuxième partie de ce travail nous a permis d'établir que les membranes dopées élaborées par coulée-évaporation présentent une meilleure organisation et une meilleure tenue thermomécanique par rapport à celles obtenues par gonflement. La troisième partie de ce travail est focalisée sur l’étude de l'impact de la nature chimique du PCIL sur la morphologie et les propriétés fonctionnelles des membranes de Nafion-TEA. Il a été démontré que les PCILs avec longues chaînes perfluorées ne modifient pas la nano-structuration du Nafion-TEA. Ceci a un impact fort sur les propriétés de conductivité, de sorption d’eau et sur les propriétés thermomécaniques de la membrane. Dans la dernière partie, des Ionomères aromatiques ont été synthétisés afin de remplacer le Nafion-TEA. Malgré la structure similaire de la chaîne latérale des Ionomères aromatiques et du Nafion®, les membranes à base d’Ionomères aromatiques et TFTEA ne présentent aucune nano-structuration. De plus l’effet plastifiant du TFTEA est plus notable dans le cas des Ionomères aromatiques probablement du fait d’une distribution aléatoire des fonctions ioniques dans la membrane polymère. / The polymer electrolyte membranes based on Proton Conducting Ionic liquids (PCIL) are very promising systems for the high temperature-PEMFC technology owing to their good ionic conductivity and stability at temperatures above 100oC. The objective of this thesis work is to achieve a profound study on the evolution of morphology and consequent functional properties of the PCIL based polymer electrolyte membranes in function of: i). concentration of the PCIL, ii). the method of elaboration and iii). chemical structure of the PCIL. To demonstrate the potential of these membranes in HT-PEMFC, preliminary tests have been carried out in the fuel cell stack and degradation phenomena associated with PCILs and membranes in the presence of hydrogen peroxide have been studied. The first part of this work is focused on the characterization of Nafion® membranes neutralized with triethylamine (Nafion-TEA) and swollen with triethylammonium Triflate (TFTEA). It has been shown that Nafion-TEA exhibits a single layer string-like organization of inter-digited Triethylammonium cations at the hydrophobic-hydrophilic interface when in anhydrous state. The introduction of TFTEA into Nafion-TEA membrane does not destroy its nano-structuration but significantly boosts the anhydrous ionic conductivity and hydrophilicity of the system. The second part of this work has permitted us to establish the fact that doped membranes prepared by casting method have better organization and better thermo-mechanical properties compared to those obtained by swelling method. Third part of this work focuses on the impact of the chemical nature of the PCIL on the morphology and functional properties of Nafion-TEA membranes. It has been demonstrated that the PCILs with long perfluorinated chain length do not modify the nano-structuration of Nafion-TEA membranes at all. This has a strong impact on the ion-conducting, water-sorption and thermo-mechanical properties of the membrane. In the last part, aromatic ionomers were synthesized in order to replace Nafion-TEA in such PCIL based system. Despite the similar structure of the side chain of the synthesized aromatic ionomers and Nafion®, the membranes based on aromatic ionomers and TFTEA do not present any nano-structuration. Moreover, the plasticizing effect of TFTEA is more noticeable in the case of aromatic ionomers probably due to a random distribution functions in the ionic polymer membrane.

De nouvelles familles de liquides ioniques conducteurs par ion lithium; à anions aromatiques et aliphatiques de type perfluorosulfonate perfluorosulfonylimidure attachés à des oligoéthers (méthoxy polyéthylène glycol mPEG) de longueurs différentes ont été synthétisées et caractérisées dans le but d'améliorer l'interaction entre les chaînes de POE et les sels de lithium en améliorant la mobilité segmentaire. Ainsi différentes membranes amorphes ou peu cristallines améliorent le transport cationique par rapport aux électrolytes polymères usuels. . Leurs propriétés ont été évaluées dans deux types de polymères hôtes : un polyéther linéaire (POE) et un polyéther réticulé préparé par un procédé "VERT". Leurs parties oligooxyéthylène aident à la solvatation des cations lithium et conduisent à l'augmentation des propriétés de transport; c'est à dire la conductivité cationique et le nombre de transport. Leurs stabilités thermiques et électrochimiques sont adaptées à l'application batterie lithium-polymère. / The new families of lithium-conducting ionic liquids; aromatic and aliphatic lithium salts based on perfluorosulfonate and perfluorosulfonylimide anions attached to an oligoether (methoxy polyethylene glycol mPEG) with different lengths were synthesized and characterized with the aim to improve the salt interaction with the host polymer's POE chains while keeping a high segmental mobility. They allowed obtaining membranes with lower crystallization degree and higher cationic transport number as compared with benchmarked salts. Their properties as lithium salts were investigated in two types of host polymers i.e. a linear polyether (POE) and a cross-linked polyether prepared by a ‘GREEN' process. Their oligooxyethylene moieties improve the lithium cation solvation leading to an increase in cationic transference numbers. Their electrochemical and thermal stabilities are suitable for lithium battery application.

Ce travail décrit le développement de membranes réticulées et de membranes composites inorganique-organique basées sur des polymères perfluorosulfoniques (PFSA) à chaîne longue (LSC) et courte (SSC) et à faible masse équivalente, pour application dans une pile à combustible fonctionnant à moyenne température et à faible humidité relative. Des membranes (LSC-PFSA) réticulées par des groupements sulfonimide ont été préparées à partir de membranes fonctionnalisées par des groupements fluorure de sulfonyle. Les membranes réticulées de type SSC-PFSA ont été préparées à partir d'un polymère à chaînes 2-bromo-1,1,2,2-tetrafluoroéthoxy pendantes et réticulables, par traitement thermique pour former des ponts perfluoro. Les membranes préparées ont été caractérisées par spectroscopies IR, Raman, RMN et XPS, par MEB-EDX et ATG. Les membranes de LSC-PFSA et SSC-PFSA réticulées présentent une stabilité dimensionnelle accrue et une meilleure performance en pile à combustible hydrogène-oxygène jusqu'à 110°C que celles des membranes de PFSA non modifiées. Une procédure d'échange ionique/précipitation a été utilisée pour la préparation de systèmes composites à partir de membranes de LSC-PFSA et SSC-PFSA. Plusieurs techniques ont été utilisées pour caractériser les matériaux préparés. Les membranes de type SSC-PFSA-ZrP présentent une morphologie distincte, et différente de celle des membranes LSC-PFSA-ZrP. En pile à combustible, ces membranes composites autorisent une température de fonctionnement plus élevée et une humidité relative plus faible, que les membranes non modifiées. / The objective of this research was to develop cross-linked and composite inorganic-organic membranes based on long and short side chain (LSC, SSC) perfluorosulfonic acid (PFSA) polymers with low equivalent weight/high ion exchange capacity for operation at medium temperature and low relative humidity in proton exchange membrane fuel cells. Covalently cross-linked LSC-PFSA membranes were prepared from sulfonyl fluoride form membranes by reaction with an ammonium base followed by thermal processing to give cross-linking through sulfonimide groups. Covalently cross-linked SSC-PFSA membranes were prepared by formation of perfluoro-cross-links under thermal treatment of solution cast polymers containing cross-linkable 2-bromo-1,1,2,2-tetrafluoroethoxy side chains. Evidence for cross-linking was provided by IR, Raman, NMR and XPS spectroscopies, SEM-EDX, tensile testing and TGA. Cross-linked LSC and SSC-PFSA membranes have increased dimensional stability and improved performance in a single hydrogen-oxygen cell fuel up to 110°C compared with the corresponding non-cross-linked membranes. Composite PFSA-zirconium phosphate membranes, based on LSC and SSC PFSA (or cross-linked PFSA) membranes were prepared using an ion exchange/precipitation procedure. The physical properties of LSC-PFSA-ZrP and SSC-PFSA-ZrP have been compared and the morphology of the composite membranes shown to differ in SSC and LSC membranes. Composite membranes enabled fuel cell operation at higher temperature/lower RH than non-composite PFSA. Preliminary results indicated that association of cross-linking and composite membrane formation is a clear future perspective of this work.

Dans le contexte d'un développement durable, les véhicules électriques apparaissent comme une solution incontournable dans le futur. Parmi les dernières évolutions sur les batteries, les systèmes constitués d'une électrode au lithium (technologie lithium métal) présente des performances remarquables en termes de densité d'énergie. L'inconvénient majeur de cette méthodologie est lié à la formation de dendrites lors de la recharge susceptibles d'occasionner des courts-circuits conduisant à l'explosion de la batterie. C'est dans cet axe que s'inscrit mon sujet de thèse dont l'objectif est de développer un électrolyte polymère solide présentant une conductivité ionique élevée (2.10-4 S.cm-1 à40°C) et une tenue mécanique suffisante (30 MPa) pour limiter les phénomènes de croissance dendritique. Pour cela, la polymérisation contrôlée par les nitroxydes (NMP) a été utilisée pour synthétiser des copolymères à blocs avec un bloc possédant des groupes d'oxyde d'éthylène –CH2-CH2-O- permettant la conduction des ions lithium et un bloc de polystyrène assurant la tenue mécanique de l'électrolyte final. Le bloc assurant la conduction ionique des architectures ainsi synthétisées sont constituées soit de POE sous forme linéaire soit de POE sous forme de peigne. / In the context of sustainable development, electric vehicles appear to be a major solution for the future. Among the lastest technologies, the Lithium Metal Polymer battery has presented very interesting performances in terms of energy density. The main drawback of this system is the formation of lithium dendrites during the refill of the battery that could cause short circuits leading to the explosion of the battery. The aim of my PhD is to develop a Solid Polymer Electrolyte showing a high ionic conductivity (2.10-4 S.cm-1 at 40°C) and a high mechanical strength (30 MPa) to prevent dendritic growth. For that purpose, Nitroxide Mediated Polymerization is used to synthesize block copolymers with a PEO moiety for ionic conduction –CH2-CH2-O- and polystyrene for mechanical strength. Different kind of architectures have been synthesized : block copolymer with linear PEO moiety or with grafted PEO moiety.