Mesoporous thin films are promising architectures for positive electrodes in Li-ion battery applications. A particular challenge in this field has been successful templating of vanadium-based oxides, materials known for their ability to host lithium, since their thermal instability and complex vanadium chemistry hinder templating through traditional soft-chemistry approaches. To address these technical problems we here develop the soft-templating of vanadium and niobium mixed oxides based on Evaporation Induced Micelles Packing using thermally stable polystyrene-b-polyethyleneoxide structuring agents. In-situ thermal monitoring via ellipsometry allows successful navigation of the thermal stability landscape. TEM and AFM analyses reveal homogeneous wormlike mesoporous structures whose pore and inorganic wall sizes can be tuned from 15 to 100 nm by changing the hydrophobic/hydrophilic surfactant chain lengths. Ellipsometric porosimetry shows that 100 nm thick films with a 15 nm pore size displays 30% electrolyte accessible porosity. The interconnected tridimensional mesoporous network has been highlighted by electronic tomography. Thicker films up to 1.3 µm are prepared by a multidipping process. The superiority of such nanoarchitectures compared to non porous materials in terms of electrochemical properties such as capacity are revealed using cyclic voltammetry.

Une compréhension précise de la géométrie de coordination et de la structure électronique autour d’un ion métallique à l’intérieur des catalyseurs et des matériaux de batteries est essentielle pour contrôler ces systèmes complexes, modifier leur fonctionnement, et permettre la conception logique de sites améliorés. Cependant, la structure de ces systèmes n’est pas toujours accessible par des techniques de diffraction, et même si elle l’est, la structure électronique ne peut alors être déduite qu’indirectement des coordonnées atomiques. De ce fait, il est essentiel d’avoir une sonde directe de la structure électronique. L’objectif de cette thèse est l’étude des propriétés structurales et électroniques des sites mé- talliques de catalyseurs et de matériaux de batteries par Résonance Magnétique Nucléaire en rotation à l’angle magique (MAS NMR). La MAS NMR est une technique très performante pour l’étude des effets locaux dans les matériaux à l’état solide et permet de sonder directement la structure électronique des matériaux paramagnétiques à haute résolution. Néanmoins, cette ap- proche souffre d’une pauvre résolution et d’une sensibilité limitée pour les noyaux proches d’un site paramagnétique. Pour dépasser ces limitations, nous avons levé des verrous dans l’acquisition et l’interprétation de la MAS NMR en développant et appliquant de nouvelles méthodes pour l’étude de solides paramagnétiques basées sur des hautes fréquences de rotation (60-111 kHz MAS). Pour ce faire, un répertoire de séquences d’impulsion a été développé pour la détection et l’interprétation des effets paramagnétiques dans des solides cristallins et non cristallins. Le potentiel de cette méthodologie a été examiné pour l’élucidation de la géométrie locale et de la structure électronique autour des sites paramagnétiques de catalyseurs homogènes ou hétérogènes, et des matériaux de cathodes en phase mixte pour des batteries au Lithium. Nous voyons dans les méthodes présentées ici, un ensemble d’outils indispensables pour l’élucidation de nombreuses questions de la chimie moderne relatives à la structure et la fonction des sites métalliques. / A precise understanding of the coordination geometry and electronic structure around metal cen- ters in catalysts and battery materials is crucial in order to control these complex systems, modify their behavior, and allow rational design of improved sites. However, such systems are not al- ways amenable for diffraction-based structural determination, and even if they are, obtaining atom-specific electronic structure can only be inferred indirectly from the atomic coordinates. As such, a direct probe of the electronic structure is highly desired. The aim of the present thesis is the investigation of structural and electronic properties of metal sites in catalysts and battery materials by magic-angle spinning nuclear magnetic resonance (MAS NMR) spectroscopy. MAS NMR is a powerful technique for the investigation of local effects in solid materials, and offers a direct probe of highly resolved electronic structures in paramagnetic solids. However, it suffers from limited sensitivity and resolution for nuclei lying close to a paramagnetic center in general. We address these limitations by first tackling some of the bottlenecks in the acquisition and interpretation of MAS NMR by developing and applying new methodologies to paramagnetic solids using ultra-fast (60-111) kHz MAS rates. A "toolkit" of suitably designed pulse sequences is assembled for broadband detection and interpretation of paramagnetic shifts in crystalline and non-crystalline solids. The potential of this methodology is explored for the elucidation of local geometry and electronic structure around paramagnetic metal sites in homogeneous and heterogeneous catalysts, and a set of mixed-phase Li-ion battery cathode materials. We anticipate that the approaches described herein form an essential tool to elucidate many outstanding questions about the structure and function of metal sites in modern chemistry.

Des matériaux d'électrode positive pour batteries Li-ion de structures atypiques ont été synthétisés par une réaction de chimie douce qui consiste en l'échange ionique du sodium par le lithium dans les composés lamellaires de type NaxMO2 (x = 2/3 ; M = Co, Co/Mn). Un modèle basé sur la nucléation-croissance au sein du matériau précurseur a été proposé afin d'expliquer le mécanisme de la réaction d'échange ionique. Une comparaison entre les diagrammes de diffraction des rayons X obtenus pour différentes structures lamellaires simulées d'après le mécanisme réactionnel proposé et une étude de la réaction d'échange suivie par diffraction des rayons X in situ ont permis dans le cas de O2-LiCoO2 de mettre en évidence les paramètres gouvernants la réaction. Le matériau substitué au manganèse T#2-Li2/3Co2/3Mn1/3O2 a été synthétisé et caractérisé par diffraction des neutrons et diffraction électronique. La stabilité thermique de ce matériau a été étudiée, cette étude a montré la formation à 450°C d'une phase de même composition mais de structure différente. Les propriétés électrochimiques de ces matériaux et les modifications structurales observées au cours du cyclage électrochimique ont été caractérisées.

Le dioxyde de titane (TiO2) est un matériau polyvalent qui présente des propriétés intéressantes allant de la catalyse au stockage et conversion d'énergie. Afin d'améliorer ses propriétés physico-chimiques, plusieurs approches ont été appliquées telles que, la réduction de la taille des particules, modification de la morphologie, le dopage par d'autres éléments. Dans cette thèse, une nouvelle méthode de synthèse basée sur la chimie de sol-gel est développée en milieu fluoré. Les anions divalents de O2- dans TiO2 anatase sont substitués par anions monovalents de F- et OH-, le déficit de charge négative est compensée par la création simultanée de lacunes cationiques dont la concentration peut être réglés par la température de réaction. La nouvelle famille de matériaux polyanioniques a la composition générale de Ti1-x-y•x+yO2-4(x+y)F4x(OH)4y avec de lacune cationique jusqu’à 22 %. Le matériau considérablement dopé maintient son réseau cristallin original et montre une structure locale unique. Son mécanisme de formation est étudié à l'échelle atomique. Les effets des paramètres de synthèse sur la structure, la morphologie et la composition chimique de la phase obtenue sont étudiés en détail. Lorsqu'il est utilisé comme anode pour batteries aux ions lithium, l'anatase fluorée lacunaire montre des performances supérieures pour le stockage de lithium, surtout à haute régime de charge/décharge. La présence de lacune modifie le mécanisme d'insertion du lithium par rapport à TiO2 anatase stœchiométrique: une réaction de solution solide a été trouvé à la place une réaction diphasique, soulignant l'impact de la modification de la structure sur les propriétés électrochimiques vis-à-vis au Li+. Enfin, le mécanisme d'insertion de sodium dans anatase stœchiométrique et lacunaire est étudié. Des aperçus sans précédent sont acquis pour la réaction d’insertion de Na+. / Titanium dioxide (TiO2) is a multifunctional material and presents promising properties ranging from catalysis to energy storage and conversion. In order to obtain enhanced physico-chemical properties, several approaches were applied such as, reducing particle sizes, modifying morphology, doping with other elements. In this thesis, a new synthesis method based on sol-gel chemistry is developed in fluorinated medium. The divalent O2- in TiO2 anatase is substituted by monovalent F- and OH- anions, the deficiency of negative charge is counterbalanced by the simultaneous formation of cationic Ti4+ vacancies (•) which can be tuned by the reaction temperature. The new family of polyanionic materials has the general composition of Ti1-x-y•x+yO2-4(x+y)F4x(OH)4y with up to 22 % of cationic vacancies. The drastically doped material keeps its original crystalline network and shows unique local structure. Its formation mechanism is investigated at atomic scale. The effects of synthesis parameters on structure, morphology and chemical composition of the resulting phase are studied in details. When used as anode for lithium-ion batteries, the cation-defected fluorinated anatase shows superior lithium storage performance, especially at high charge/discharge rate. The presence of vacancy modifies lithium insertion mechanism compared to stoichiometric TiO2 anatase: a solid solution reaction was found instead a well-known two-phase reaction, highlighting the impact of structure modification on the electrochemical properties vs. Li+. Sodium insertion mechanism into stoichiometric and defective anatase are studied at the last. Unprecedented insights into Na+ insertion reaction are gained.

Dans la recherche de nouveaux matériaux pour électrode positive de batterie au lithium, les composés à base de fer permettent un faible coût et une moindre toxicité. Dans cette optique, beta-FeOOH, gamma-FeOOH et LiFePO4 ont été étudiés.<br />Pour les oxyhydroxydes, très peu conducteurs, l'ajout direct de noir d'acétylène ou de nanotubes de carbone (pour améliorer la conductivité électronique) a été développé, cet ajout conduit à une répartition non uniforme du carbone et un isolement des grains, défavorable à l'insertion des ions Li+. Une substitution partielle du fer par le cobalt a été réalisée (amélioration de la conduction ionique). Une stabilisation de la quantité de lithium échangeable est obtenue avec un optimum de 3,6% atomique.<br />Pour LiFePO4, plusieurs modes de synthèse (voie hydrothermale, mécanochimie ou co-précipitation) ont été utilisés pour obtenir différentes tailles de particules. La conductivité électronique est améliorée par la génération d'une couche de carbone autour des grains par dégradation thermique d'un carbohydrate. Il apparaît que plus les particules sont fines, meilleur est l'insertion de lithium. D'autre part, la présence de quelques défauts cristallins (mis en évidence par magnétisme) est favorable. L'effet de l'enrobage a également été étudié avec différentes sources de carbone (amidon, cellulose, nanotubes de carbone, polyacrilonitrile). Un bon compromis est obtenu avec la cellulose: un caractère fortement sp2 (carbone conducteur), couvrant (bonne percolation des électrons) et homogène (surface non accidentée).

Ce travail combine études expérimentales et théoriques au seuil K du lithium dans le but de permettre une meilleure compréhension des propriétés des matériaux pour électrodes de batteries au lithium. Les spectres de pertes d'énergie des électrons (EELS) sont interprétés grâce à des simulations des structures proches du seuil (ELNES) et à des calculs de structures électroniques, tous basés sur la Théorie de la Fonctionnelle de la Densité (DFT). Après un descriptif concis de la DFT, les deux approches utilisées pour la simulation des spectres (la théorie de Bethe et le calcul de la fonction diélectrique) ainsi que les codes de calculs associés sont revus en détail. Le deuxième chapitre porte sur les aspects expérimentaux : il insiste particulièrement sur le contrôle de l'oxydation des échantillons et le traitement des spectres. La simulation du seuil K du lithium fait l'objet du troisième chapitre. Les difficultés liées aux états de semi-coeur 1s du lithium sont alors mises en avant et l'importance des effets d'écrantage liés aux seuils M2,3 des métaux de transition sur le seuil K du lithium discutés. Les calculs montrent par ailleurs la faible influence des effets de champs locaux à ce seuil. Enfin, le dernier chapitre porte sur l'étude systématique d'une famille de composés pour électrodes négatives, de formulation LixTiP4 (2 < x < 11). Grâce à l'analyse des structures ELNES, il est démontré que le lithium est préférentiellement inséré en site tétraédrique pour les faibles teneurs x. D'autre part, la comparaison des spectres obtenus en oxydation et en réduction confirme la nature biphasée du composé pendant la phase d'oxydation.

Le travail présenté dans ce mémoire concerne la réalisation des batteries souples lithium-ion. Il a comme objectif le développement de nouveaux procédés comme l'impression par sérigraphie pour la fabrication de batteries et le remplacement des polymères issus de la chimie de synthèse par des matériaux bio-sourcés utilisables en milieu aqueux. Les résultats obtenus ont montré qu'il est possible de formuler des encres aqueuses à base des matériaux actifs classiquement utilisés pour l'élaboration d'électrodes (anode et cathode) de batterie Li-ion mais avec des liants dérivés de cellulose en substitution du PVDF qui intègre les formulations standards. Cette encre, dont les propriétés rhéologiques sont compatibles avec le procédé d'impression sérigraphique, permet l'obtention d'électrodes présentant des propriétés spécifiques aux bons fonctionnements de la batterie. Les résultats obtenus ont montré que cette technique d'impression du séparateur pouvait être utilisée pour remplacer la technique de déposition classique des matières actives sur les collecteurs de courant, basée sur un procédé d'enduction à lame (blade coating). Enfin, une batterie lithium-ion imprimée a pu être élaborée en utilisant la stratégie d'impression recto/verso du séparateur avec l'intégration des collecteurs de courant pendant la phase d'impression, validant ainsi cette nouvelle technique d'assemblage. / The work presented in this manuscript describes the manufacturing of lithium-ion batteries on papers substrates by printing technique. Its aim is the development of new up scalable and large area techniques as screen printing for the fabrication of lithium-ion batteries and the replacement of conventional toxic components by bio-sourced one and water based solvent. First results shows how it is possible to formulate cellulose based ink tailored for screen printing technology with suitable properties for lithium-ion batteries requirements. Electrodes were manufactured and tested from a physical and electrochemical point of view and two strategies were proposed to enhance performances. Finally, by considering results obtained for the electrodes, a full cell was manufactured with a new assembling strategy based on: front / reverse printing approach and the embedding of the current collectors during printing stage. As a final point cells were characterized and compared with others obtained by conventional assembling strategies.

Plusieurs structures hiérarchisées des fluorures de fer et de nickel avec des matrices carbonées ou métalliques ont été obtenues par deux voies de fluoration : fluoration gaz-solide de nanoparticules par le fluor moléculaire pur ou par fluoration en milieu liquide via l’agent fluorant NH 4 F. Les différentes nanostructures des matériaux ainsi préparées ont été caractérisées par les techniques classiques de microscopies électroniques, de spectroscopies vibrationnelles (infrarouge et Raman) ou encore d’analyse thermogravimétrique. En complément, la diffraction des rayons X a permis d’étudier les matériaux tant à l’ordre global, qu’à l’ordre local par affinement et analyse PDF sous rayonnement synchrotron. Ainsi, les conditions de synthèse et les mécanismes de formation de différents assemblages de type 0D avec des structures core-shell nickel/fluorure de nickel ; mais aussi 1D avec des nanotubes de carbone double parois remplis par du fluorure de fer, ou encore 3D (« flower-like ») avec le greffage de nanoparticules de fluorures de nickel en surface de nanotubes de carbone simple ou multi parois ont pu être appréhendés. Finalement, les nanostructures les plus adaptées à la diffusion des ions lithium (particules core-shell et flower-like) ont finalement été testées comme matériaux de cathode. / Some hierarchized structures made of iron or nickel fluorides together with carbonaceous or metallic matrix were obtained owing to two fluorination ways : solid-gas fluorination proceeding by pure molecular fluorine gas or fluorination in liquid media using NH 4 F in solution. The different nanostructures have been characterized thanks to classical technics such as electronic microscopies, vibrational spectroscopies (infrared and Raman) or thermogravimetric analysis. Many attentions have been paid to determine the global and local structures by using X-ray diffraction, refinement of the diffraction pattern by Rietveld analysis or Pair Distribution Function analysis on pattern registered on synchrotron. So, the synthesis conditions and the formation mechanism of various assemblies have been carried out on 0D core-shell nickel/ nickel fluoride, 1D double-walled carbon nanotubes filled with iron fluoride or 3D single and multi-walled carbon nanotubes decorated with flower-like nickel fluoride. Finally, the nanostructures the most favorable to lithium-ion diffusion (core-shell and flower like nanostructures) have been used as electrode in secondary lithium batteries.

Le polymère poreux (PM) associe les avantages double des matériaux poreux et des polymères, ayant la structure unique de pore, la porosité supérieure et la densité inférieure, ce qui possède une valeur d’application importante dans les domaines de l'adsorption, le soutien de catalyseur, le séparateur de batterie, la filtration, etc. Actuellement, il existe plusieurs façons de préparer le PM, comme la méthode de gabarit, la méthode de séparation de phase, la méthode d'imagerie respiratoire, etc. Chacune des méthodes ci-dessus existe ses propres avantages, mais la préparation à grande échelle de PM à structure de pore contrôlable et aux fonctions spécifiques est toujours un objectif à long terme sur le domaine et l'un des principaux objectifs de ce mémoire. La co-extrusion de microcouche est une méthode pour produire de façon efficace et successive des polymères avec des structures de couches alternées, ayant les avantages de haute efficacité et faible coût. Par conséquent, sur les exigences structurelles de PM de l’application spécifique, ce mémoire a conçu le PM avec une structure spécifique et une co-extrusion de microcouche de manière créative combinée avec la méthode traditionnelle de préparation de PM (méthode de gabarit, méthode de séparation de phase), en combinant les avantages des deux méthodes, les PM avec une structure de pore idéale peuvent être préparés en grande quantité et l’on peut également explorer son application dans les séparateurs de batteries au lithium-ion et l'adsorption d'hydrocarbures aromatiques polycycliques.Le plus important, dans la deuxième partie de cet essai, se trouve que la simulation micro-numérique est utilisée pour étudier le transport et le dépôt de particules dans des milieux poreux pour explorer le mécanisme des matériaux poreux dans les domaines de l'adsorption et du séparateur de batterie. Le code de 3D-PTPO (un modèle tridimensionnel de suivi des particules combinant Python® et OpenFOAM®) est utilisé pour étudier le transport et le dépôt de particules colloïdales dans des milieux poreux, l’on adopte trois modèles (colonne, venturi et tube conique) pour représenter différentes formes de matériaux poreux. Les particules sont considérées comme des points matériaux pendant le transport, le volume des particules sera reconstitué et déposé comme partie de la surface du matériau poreux pendant le dépôt, la caractéristique principale de ce code est de considérer l'influence du volume des particules déposées sur la structure des pores, les lignes d'écoulement et le processus du dépôt des autres particules. Les simulations numériques sont d'abord conduites dans des capillaires simples, le travail de chercheurs de Lopez et d’autres est réexaminé en établissant un modèle géométrique tridimensionnel plus réaliste et il explore les mécanismes cachés derrière les règles de transmission et de dépôt. Par la suite, des simulations numériques sont effectuées dans des capillaires convergents-divergents pour étudier la structure des pores et l'effet de nombre Peclet sur le dépôt de particules. Enfin, l’on étudie l’effet double de l'hétérogénéité de surface et de l'hydrodynamique sur le comportement de dépôt de particules. / Due to the combination of the advantages of porous media and polymer materials, polymeric porous media possess the properties of controllable porous structure, easily modifiable surface properties, good chemical stability, etc., which make them applicable in a wide range of industrial fields, including adsorption, battery separator, catalyst carrier, filter, energy storage, etc. Although there exist various preparation methods, such as template technique, emulsion method, phase separation method, foaming process, electrospinning, top-down lithographic techniques, breath figure method, etc., the large-scale preparation of polymeric porous media with controllable pore structures and specified functions is still a long-term goal in this field, which is one of the core objectives of this thesis. Therefore, in the first part of the thesis, polymeric porous media are firstly designed based on the specific application requirements. Then the designed polymeric porous media are prepared by the combination of multilayer coextrusion and traditional preparation methods (template technique, phase separation method). This combined preparation method has integrated the advantages of the multilayer coextrusion (continuous process, economic pathway for large-scale fabrication, flexibility of the polymer species, and tunable layer structures) and the template/phase separation method (simple preparation process and tunable pore structure). Afterwards, the applications of the polymeric porous media in polycyclic aromatic hydrocarbons adsorption and lithium-ion battery separator have been investigated.More importantly, in the second part of the thesis, numerical simulations of particle transport and deposition in porous media are carried out to explore the mechanisms that form the theoretical basis for the above applications (adsorption, separation, etc.). Transport and deposition of colloidal particles in porous media are of vital important in other applications such as aquifer remediation, fouling of surfaces, and therapeutic drug delivery. Therefore, it is quite worthy to have a thorough understanding of these processes as well as the dominant mechanisms involved. In this part, the microscale simulations of colloidal particle transport and deposition in porous media are achieved by a novel colloidal particle tracking model, called 3D-PTPO (Three-Dimensional Particle Tracking model by Python® and OpenFOAM®) code. The particles are considered as a mass point during transport in the flow and their volume is reconstructed when they are deposited. The main feature of the code is to take into account the modification of the pore structure and thus the flow streamlines due to deposit. Numerical simulations were firstly carried out in a capillary tube considered as an element of an idealized porous medium composed of capillaries of circular cross sections to revisit the work of Lopez and co-authors by considering a more realistic 3D geometry and also to get the most relevant quantities by capturing the physics underlying the process. Then microscale simulation is approached by representing the elementary pore structure as a capillary tube with converging/diverging geometries (tapered pipe and venturi tube) to explore the influence of the pore geometry and the particle Péclet number (Pe) on particle deposition. Finally, the coupled effects of surface chemical heterogeneity and hydrodynamics on particle deposition in porous media were investigated in a three-dimensional capillary with periodically repeating chemically heterogeneous surfaces.

Ce travail de thèse s'inscrit dans le cadre général de l'étude des matériaux d'intercalation de type LiMO2 et LiM2O4 (M : métal de transition) utilisés comme matériaux d'électrode dans les batteries lithium-ion. La RMN du solide permet de caractériser l'environnement local du lithium dans ces matériaux, grâce à l'exploitation des interactions hyperfines dues à la présence d'une certaine densité d'électrons célibataires (déplacement de contact de Fermi) ou de conduction (déplacement de Knight) sur le noyau de lithium.<br />En suivant la transformation de la phase lamellaire LiNiO2 en phase spinelle LiNi2O4 par RMN du lithium, nous avons étudié la nature du signal asymétrique de LiNiO2 et l'influence de l'écart à la stoechiométrie du matériau, puis mis en évidence une mobilité électronique couplée à la mobilité ionique pour les phases désintercalées LixNiO2 en relation avec l'ordre Li/lacune et Ni3+/Ni4+, et enfin mis en évidence des défauts structuraux au sein de la spinelle LiNi2O4 obtenue par traitement thermique de Li0.5NiO2.<br />La RMN du lithium des phases intercalées issues des spinelles LiTi2O4 et Li4Ti5O12 a montré que Li2Ti2O4 est métallique avec un déplacement de Knight du signal de RMN du lithium identique à LiTi2O4, et que Li7Ti5O12 présente des signaux de nature intermédiaire entre déplacement de Knight et contact de Fermi.