Les travaux presentés dans ce manuscrit ont été consacrés à l’étude de composés organo-soufrés comme composants d’électrolyte pour systèmes électrochimiques de stockage d’énergie, en particulier dans les batteries lithium-soufre. Des liquides ioniques originaux, basés sur des cations sulfonium fonctionnalisés par des chaînes de type glyme ont été synthétisés et caractérisés, puis testés en tant qu’électrolytes dans des supercondensateurs symétriques avec électrodes en carbone activé. Il est apparu que l’adaptation de la structure des liquides ioniques à la porosité du carbone activé est d’importance fondamentale pour le développement de systèmes plus performants. L’ étude menée sur les batteries lithium-soufre a permis une meilleure compréhension des mécanismes de fonctionnement d’un système redox soufre/diphenyl disulfure dans des solvants glymes. L’influence des solvants sur les équilibres chimiques entre polysulfures organiques et minéraux et sur le fonctionnement du système a été étudiée. D’après les premiers résultats obtenus, cette stratégie semble particulièrement prometteuse pour améliorer les performances des batteries lithium-soufre. / The work presented in this manuscript concentrates on investigating the use of organosulfur compounds as potential electrolyte components for electrochemical energy storage systems, in particular in lithium-sulfur batteries. Novel glyme-functionalised sulfonium-based ionic liquids were synthesised and characterised before being tested as pure electrolytes for symmetrical supercapacitors based on activated carbon electrodes. The adaptation of the structure of the ionic liquids to the porosity of activated carbon was found to be of fundamental importance for the design of more efficient systems. For lithium-sulfur batteries, the study has enabled a better understanding of the mechanisms involved during the operation of the sulfur/diphenyl disulfide redox couple in a range of glyme-based solvents. Similarly, the influence of the glyme-based solvents on the chemical equilibria between organic and mineral polysulfides and on the system operation has been investigated. The initial results demonstrated that this is a particularly promising strategy in order to significantly improve the performances of lithium-sulfur batteries.

Ces travaux ont permis d'approfondir les connaissances du mécanisme de déchargepeu conventionnel de l'accumulateur Li/S et de ses limitations. L'ensemble desrésultats a convergé vers une unique conclusion, à savoir que le système Li/S estprincipalement limité par le phénomène de passivation de l'électrode positive en finde décharge. Les polysulfures de lithium à chaines courtes précipitent à la surface del'électrode positive de soufre. Isolants électroniques, ils sont responsables de la perteprogressive de surface active de l'électrode et de la fin prématurée de la décharge.Ainsi, les performances électrochimiques ont pu être significativement améliorées entravaillant sur la morphologie de l'électrode positive, et sur la composition del'électrolyte. En augmentant la surface spécifique de l'électrode, la quantité depolysulfures de lithium qui peut précipiter en fin de décharge est augmentée, et lapassivation totale de l'électrode est retardée. En augmentant la solubilité despolysulfures de lithium dans l'électrolyte, la précipitation des espèces est retardée etla décharge prolongée. Dans cette optique, les solvants de type PEGDME semblentêtre les plus prometteurs à ce jour. Enfin, un mécanisme possible de réduction dusoufre en électrolyte de type éther a pu être proposé.

La maîtrise de l’additivation est l’un des enjeux majeurs de la formulation des lubrifiants, notamment pour l’industrie automobile. La formulation d’une huile est toutefois très complexe en raison du nombre important d’additifs et des nombreuses interactions possibles entre additifs, notamment entre les additifs de surface. Les phosphites organiques et les polysulfures organiques ont déjà montré leur efficacité en tant qu’additifs de surface. Toutefois malgré leur usage répandu dans les formulations des lubrifiants automobiles, peu d’études traitent des interactions pouvant avoir lieu entre ces deux types de composés. Ce travail de thèse a pour objectif la compréhension des mécanismes d’interaction (antagonisme/synergie) pouvant exister entre les phosphites organiques et les polysulfures organiques. Pour cela, une approche originale sur la lubrification par la phase gazeuse s’est avérée très pertinente. Le couplage du Tribomètre à Environnement Contrôlé (TEC) avec les systèmes d’analyses de surface XPS/Auger a permis d’analyser les tribofilms générés in situ et d’éviter ainsi toute contamination et/ou oxydation du tribofilm avant analyse. Les molécules choisies sont les additifs de lubrification industriels (polysulfures tertaires) à faibles poids moléculaires ou alors des molécules à faible poids moléculaires ayant les mêmes fonctions chimiques que les additifs usuels : trimethyl phosphite (TMPi), dimethyl phosphite (DMPi). L’étude des réactions des tribochimiques des molécules phosphorés a permis de mettre en évidence le rôle ambivalent du DMPi qui se comporte à la fois comme un phosphite pour former un phosphure de fer et comme un phosphate. Le mécanisme formation du phosphure de fer a peu être étayé par la réalisation de calculs ab initio sur l’adsorption dissociative du TMPi sur une surface de fer. Les TPS étudiés génèrent quant à eux des tribofilms à base disulfure de fer. Les mélanges binaires réalisés en phase gazeuse ont permis de mettre en évidence l’importance des rapports de concentrations des vapeurs introduites et du mode d’introduction des molécules dans le tribomètre. Les résultats obtenus en tribologie en phase gazeuse ont été corroborés par des essais complémentaires en phase liquide. / Mastering the addivation is one of the biggest issues for the lubricants formulation, especially in the automobile industry. However automotive lubricants are very complex systems due to the numerous additives mixed with base oils. Many interactions can occur between additives, especially between surface additives. Organic phosphites and organic polysulphides have already demonstrated their effectiveness as surface additives. However, despite their widespread use in the formulations of automotive lubricants, few studies deal with the interactions taking place between these two types of compounds. The aim of this study is to understand the interactions, antagonistic or synergetic effect between these kinds of additives using Gas Phase Lubrication (GPL) approach. A Environmental Controlled Tribometer (TEC) was used as a tool to simulate the interaction between organophosphate additives and polysulfurous additives. In situ surface analysis was performed in the tribofilm formed during friction using of X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) and Auger Electron Spectroscopy(AES) in order to avoid any oxidation or air contamination. The molecules selected for the study can be same as the additive like the TPS molecules which are widely used as lubricant additives. Howeverto simulate the phosphite chemical function of phosphite additives, we need to select smaller molecule having the same chemical function. These molecules are dimethyl phosphite (DMPi), trimethylphosphate (TMPi) for simulating the phosphite chemical function and organic polysulphides (TPS44and TPS32). The study of the tribochemical reactions of organic phopshites allowed to clearly characterise the ambivalence of DMPi, which can react like a phosphite and induce iron phosphide formation or react like a phosphate. Ab initio numerical simulation on TMPi dissociative adsorption was carried out to identify the reactions pathways leading to iron phosphide formation. The tribochemical reaction of TPS44 on metallic iron surface leads to the formation of iron disulphidebased tribofilm. The binary vapours mixtures studied by GPL allowed to clearly identify the importance of the vapour concentration ratio between phosphite and polysulphide. Liquid phase experiments were also carried out to confirm the trend observed in GPL approach.

Ces travaux ont permis d’approfondir les connaissances du mécanisme de déchargepeu conventionnel de l’accumulateur Li/S et de ses limitations. L’ensemble desrésultats a convergé vers une unique conclusion, à savoir que le système Li/S estprincipalement limité par le phénomène de passivation de l’électrode positive en finde décharge. Les polysulfures de lithium à chaines courtes précipitent à la surface del’électrode positive de soufre. Isolants électroniques, ils sont responsables de la perteprogressive de surface active de l’électrode et de la fin prématurée de la décharge.Ainsi, les performances électrochimiques ont pu être significativement améliorées entravaillant sur la morphologie de l’électrode positive, et sur la composition del’électrolyte. En augmentant la surface spécifique de l’électrode, la quantité depolysulfures de lithium qui peut précipiter en fin de décharge est augmentée, et lapassivation totale de l’électrode est retardée. En augmentant la solubilité despolysulfures de lithium dans l’électrolyte, la précipitation des espèces est retardée etla décharge prolongée. Dans cette optique, les solvants de type PEGDME semblentêtre les plus prometteurs à ce jour. Enfin, un mécanisme possible de réduction dusoufre en électrolyte de type éther a pu être proposé. / This work aimed at better understanding the Li/S cell discharge mechanism and itslimiting parameters. A general conclusion was following from these data: the Li/Ssystem is mainly limited by the passivation process of the sulfur positive electrode,occurring at the end of discharge. Insulating lithium polysulfides precipitate on thepositive electrode surface, thus leading to a gradual loss of the electrode activesurface and to the early end of discharge. As a consequence, the electrochemicalperformances can be significantly improved by working either on the positiveelectrode morphology or on the organic electrolyte composition. Increasing thespecific surface of the positive electrode enables to increase the amount ofpolysulfide compounds that can precipitate on the electrode, thus delaying the fullpassivation of the sulfur electrode and the end of discharge. Working on the organicelectrolyte composition enables to increase the polysulfide solubility and to preventthem from quickly precipitating, thus delaying the end of discharge too. To thispurpose, PEGDME solvents seem to be quite promising. Finally, a possiblemechanism for sulfur reduction in ether-based electrolytes could be proposed.