Les performances dans les deux principales applications en électrochimie (batterie primaire au lithium) et en tribologie (lubrifiant solide) de carbones fluorés nanostructurés obtenus par fluoration directe sous fluor moléculaire étaient déjà remarquables mais non - optimisées du fait de la présence de défauts structuraux. Ainsi de nouvelles méthodes de synthèse ont été étudiées pour réduire ces défauts. En fonction du matériau à fonctionnaliser, différentes stratégies de synthèse ont été testées telles que la fluoration assistée, la mécanosynthèse sous atmosphère de fluor gazeux et la fluoration par décomposition d'agent fluorant appelée également fluoration contrôlée. La méthode par agent fluorant avec le tetrafluorure de terbium (TbF4) et le difluorure de xénon (XeF2) a été optimisée. Les propriétés électrochimiques, sensiblement améliorées, et tribologiques, maintenues excellentes, des nanocarbones fluorés obtenues par ces méthodes ont été axpliquées par une caractérisation physico-chimique approfondie et une combinaison de techniques (Résonance Magnétique Nucléaire, Résonance Paramagnétique Electronique, Microscopie Electronique à Balayage et à Transmission, Microscopie à Force Atomique, Raman, Diffraction des Rayons X). Les mécanismes se distinguent entre les fluorations directes et contrôlée par la nature de l'espèce réactive, fluor moléculaire ou atomique, respectivement

Pour répondre aux problématiques d'usure précoce des pièces mécaniques causée par des pressions et températures élevées d'utilisation, des nanolubrifiants constitués de nanocarbones fluorés, connus pour leurs faibles coefficients de frottement et haute stabilité thermique ont été synthétisés. Pour améliorer ces propriétés, des précurseurs nanocarbonés de dimensionnalités différentes, et des procédés de synthèse gaz-solide variés ont été employés. Ainsi, une structure fermée comme les nanofibres de carbone NFCs (1D, tubulaire), ouverte comme le mélange nanodisques / nanocônes de carbone NDCs (majoritairement 2D, discotique) et intermédiaire avec les noirs de carbone graphitisés NCGs (0D, sphérique) ont été fluorés, d'une part avec le fluor moléculaire gazeux et d'autre part avec le fluor atomique produit par décomposition thermique d'un agent solide. Les mécanismes de fluoration / défluoration ont été proposés à l'aide de différentes techniques de caractérisation complémentaires (RMN du solide, MEB, MET, AFM, DRX) pour l'ensemble des matrices étudiées. Des matériaux présentant un gain de stabilité thermique de plusieurs dizaines de degrés comparativement aux matériaux fluorés de la littérature ont été élaborés, et une nouvelle méthode de synthèse dite " fluoration flash " a été mise au point pour étendre encore cette tenue en température. Les bonnes propriétés tribologiques de ces matériaux ont également été démontrées, notamment à 160°C et ceci quel que soit le mode de fluoration. Par la suite, des vernis à base de résines siliconées et chargés en nanofibres de carbone fluorées ont été formulés. Le revêtement composite présente une stabilité thermique supérieure à 400°C comme démontré par l'étude de son mécanisme de dégradation en température, notamment par couplage ATG-FTIR. D'un point de vue tribologique, les coefficients de frottement mesurés à température ambiante et 160°C sont inférieurs à 0,1 et les tribofilms obtenus ont été caractérisés par analyse MEB et EDX.

Dans les piles primaires au lithium, l'anode de lithium peut être couplée principalement à quatre matériaux de cathode (MnO2, SO2, SOCl2 et des composés fluorés CFx). Les piles Li/CFx présentent de nombreux avantages tels qu'une densité d'énergie élevée (jusqu'à 2200 Wh.kg-1), un potentiel de décharge relativement élevé (environ 2,4 V vs Li+/Li) et une longue durée de vie (plus de 10 ans à la température ambiante). Au cours de ce travail, nous avons intensément étudié les propriétés électrochimiques des carbones fluorés nanostructurés. Pour plus de performances, des précurseurs nanocarbonés de dimensionnalité différentes, et des procédés de synthèse gaz-solide variés ont été employés. Ainsi, des structures fermées comme les nanofibres de carbone (1D, tubulaire), ouvertes comme les nanodisques / nanocônes (2D en majorité, discotiques) et intermédiaires avec les noirs de carbone graphitisés. Chaque mode de synthèse a été optimisé en fonction du précurseur de départ (son facteur de forme, sa dimensionnalité, son degré de graphitisation ...). Pour remédier aux limitations des carbones fluorés commerciaux, leur mécanisme de décharge a été finement étudié afin d'améliorer notre compréhension sur la défluoration électrochimique d'une cathode CFx, et de les comparer aux CFx synthétisés au laboratoire, le but principal étant de dépasser les performances actuelles et de synthétiser des matériaux inédits pour la pile primaire au lithium. Des extracapacités par rapport aux valeurs théoriques dans les batteries Li/CFx ont été obtenues avec de nanocarbones fluorés spécifiques et le phénomène électrochimique à l'origine de cette extracapacité a été clairement expliqué.

Pour répondre aux problématiques d’usure précoce des pièces mécaniques causée par des pressions et températures élevées d’utilisation, des nanolubrifiants constitués de nanocarbones fluorés, connus pour leurs faibles coefficients de frottement et haute stabilité thermique ont été synthétisés. Pour améliorer ces propriétés, des précurseurs nanocarbonés de dimensionnalités différentes, et des procédés de synthèse gaz-solide variés ont été employés. Ainsi, une structure fermée comme les nanofibres de carbone NFCs (1D, tubulaire), ouverte comme le mélange nanodisques / nanocônes de carbone NDCs (majoritairement 2D, discotique) et intermédiaire avec les noirs de carbone graphitisés NCGs (0D, sphérique) ont été fluorés, d’une part avec le fluor moléculaire gazeux et d’autre part avec le fluor atomique produit par décomposition thermique d’un agent solide. Les mécanismes de fluoration / défluoration ont été proposés à l’aide de différentes techniques de caractérisation complémentaires (RMN du solide, MEB, MET, AFM, DRX) pour l’ensemble des matrices étudiées. Des matériaux présentant un gain de stabilité thermique de plusieurs dizaines de degrés comparativement aux matériaux fluorés de la littérature ont été élaborés, et une nouvelle méthode de synthèse dite « fluoration flash » a été mise au point pour étendre encore cette tenue en température. Les bonnes propriétés tribologiques de ces matériaux ont également été démontrées, notamment à 160°C et ceci quel que soit le mode de fluoration. Par la suite, des vernis à base de résines siliconées et chargés en nanofibres de carbone fluorées ont été formulés. Le revêtement composite présente une stabilité thermique supérieure à 400°C comme démontré par l’étude de son mécanisme de dégradation en température, notamment par couplage ATG-FTIR. D’un point de vue tribologique, les coefficients de frottement mesurés à température ambiante et 160°C sont inférieurs à 0,1 et les tribofilms obtenus ont été caractérisés par analyse MEB et EDX. / To address some issues to premature wear caused by high pressures and temperatures used on aircraft parts, nanolubricants made of fluorinated nanocarbons were synthesized. They are known for their low friction coefficients and high thermal stability in air. To improve these properties, carbonaceous nanomaterial precursors with different dimensionalities, and various gaz-solid synthesis methods were investigated. Thus, a closed structure such as carbon nanofibres (1D, tubular), opened such as carbon nanodiscs/nanocones (2D in majority, discotic) and intermediate with graphitized carbon blacks(0D, spherical) were fluorinated, firstly with molecular fluorine gas, and secondly with atomic fluorine released by the thermal decomposition of a solid fluorinating agent. Mechanisms of fluorination/defluorination were proposed thanks to complementary characterization techniques (solid NMR, SEM, TEM, AFM, XRD) for all the studied compounds. Materials with a gain of thermal stability of several tens of degrees compared to fluorinated materials of the litterature were prepared, and a new synthesis way called “flash fluorination” has been developed to further expand the thermal stability in air. Good tribological properties of these materials have been also demonstrated, including high temperature (160°C) regardless of the fluorination method. Then, polysiloxane resins loaded with fluorinated carbon nanofibres were formulated. The composite coatings exhibit thermal stability above 400°C as demonstrated by the study of the degradation mechanism as a function of the temperature, in particular by coupling TGA-FTIR. From a tribological point of view, friction coefficients measured at room temperature and 160°C are below 0.1 and the tribofilms obtained were characterized by SEM and EDX analysis.

Dans les piles primaires au lithium, l'anode de lithium peut être couplée principalement à quatre matériaux de cathode (MnO2, SO2, SOCl2 et des composés fluorés CFx). Les piles Li/CFx présentent de nombreux avantages tels qu’une densité d'énergie élevée (jusqu'à 2200 Wh.kg-1), un potentiel de décharge relativement élevé (environ 2,4 V vs Li+/Li) et une longue durée de vie (plus de 10 ans à la température ambiante). Au cours de ce travail, nous avons intensément étudié les propriétés électrochimiques des carbones fluorés nanostructurés. Pour plus de performances, des précurseurs nanocarbonés de dimensionnalité différentes, et des procédés de synthèse gaz-solide variés ont été employés. Ainsi, des structures fermées comme les nanofibres de carbone (1D, tubulaire), ouvertes comme les nanodisques / nanocônes (2D en majorité, discotiques) et intermédiaires avec les noirs de carbone graphitisés. Chaque mode de synthèse a été optimisé en fonction du précurseur de départ (son facteur de forme, sa dimensionnalité, son degré de graphitisation ...). Pour remédier aux limitations des carbones fluorés commerciaux, leur mécanisme de décharge a été finement étudié afin d'améliorer notre compréhension sur la défluoration électrochimique d'une cathode CFx, et de les comparer aux CFx synthétisés au laboratoire, le but principal étant de dépasser les performances actuelles et de synthétiser des matériaux inédits pour la pile primaire au lithium. Des extracapacités par rapport aux valeurs théoriques dans les batteries Li/CFx ont été obtenues avec de nanocarbones fluorés spécifiques et le phénomène électrochimique à l’origine de cette extracapacité a été clairement expliqué. / For primary lithium batteries, the lithium anode can be coupled mainly four cathode materials (MnO2, SO2, SOCl2 and fluorinated carbons CFx). Li/CFx batteries have many inherent advantages such as high energy density (up to 2200 Wh.kg-1), a moderately high discharge potential (about 2.4 V vs. Li+/Li) and a long life (over 10 years at room temperature). During this work, the electrochemical performances in primary lithium battery of nanostructured fluorinated carbons were investigated. To improve their performances, carbonaceous precursors with different dimensionalities, and various gas-solid fluorination methods were selected. Thus, a closed structure such as carbon nanofibres (1D, tubular), opened such as carbon nanodiscs/nanocones (2D in majority, discotic) and intermediate with graphitized carbon blacks have been chosen. Each synthesis route was optimized based on the starting material and their specificities, i.e. the shape factor, dimensionality, graphitization degree, stacking mode. To address to the limitations of commercial CFx materials, their discharge mechanism has been studied in order to improve the understanding about the electrochemical defluorination of a CFx cathode, and to compare it to original CFx synthesized in our laboratory, the main purpose is to exceed the current performances and to synthesize unrealized materials for primary lithium battery. Extracapacities in Li/CFx batteries were obtained with some specific fluorinated nanocarbon materials and their explanation was discussed.