Les piles au lithium tiennent une place importante dans de nombreuses applications, notamment dans le secteur industriel à forte valeur ajoutée. Les oxyfluorures de graphites et graphènes, ainsi que leurs précurseurs oxydes, ont été identifiés comme des matériaux de cathode pouvant permettre d’augmenter la densité d'énergie de ces piles. Durant cette thèse, afin d’obtenir des nouveaux oxyfluorures de graphite, deux voies de synthèse ont été prospectées. Lors de la synthèse enchainant oxydation de Hummers puis fluoration gaz-solide, le paramètre température d’oxydation a été modulé et a donné lieu à des composés contenant des proportions différentes de fonctions oxygénées de type OH, COOH, COC. Lors de la synthèse débutant par la fluoration, différentes méthodes de fluoration ont été mise en oeuvre faisant agir soit le fluor moléculaire soit le fluor radicalaire à deux échelles de synthèse (laboratoire et micropilote). Une caractérisation minutieuse des matériaux issus de chaque voie, croisant les analyses structurales (DRX, ATG, diffusion Raman...) et analyses chimiques (IR, RMN, XPS...) a permis de cerner les modularités sur les effets de structure et de distribution de fonctions à l'échelle locale. Ce panel de composés a été testé en décharge galvanostatique en pile au lithium afin de corréler activité électrochimique des fonctions et gain en performances. / Primary Lithium Batteries are substantial in many applications, particularly in industrial niche sectors. Graphite oxifluorides and their precursors, graphite oxides, are promising materials for the cathodes. We explored two-step synthesis combining Hummers' oxidation and solid-gas fluorination. Temperature of oxidation was key parameter to control OH, COC and COOH ratio. Direct fluorination and controlled fluorination were processed at laboratory and scaled-up. Because of complexity of the materials and specificity at each scale, we cross-checked the data from several techniques for structure (XRD, TGA, Raman spectroscopy...) and chemistry (IR, MAS NMR, XPS...) for an accurate picture. We tested the broad set of materials. Galvanostatic discharges enabled us to understand the electrochemical activity of functions at stake and key factors of design for better performances.

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.