CA2194127A1 - Delocalized anions for use as electrolytic solutes - Google Patents

Delocalized anions for use as electrolytic solutes

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salt
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Michel Armand
Michel Gauthier
Yves Choquette
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    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
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    • C08G65/00Macromolecular compounds obtained by reactions forming an ether link in the main chain of the macromolecule
    • C08G65/02Macromolecular compounds obtained by reactions forming an ether link in the main chain of the macromolecule from cyclic ethers by opening of the heterocyclic ring
    • C08G65/32Polymers modified by chemical after-treatment
    • C08G65/329Polymers modified by chemical after-treatment with organic compounds
    • C08G65/334Polymers modified by chemical after-treatment with organic compounds containing sulfur
    • C08G65/3344Polymers modified by chemical after-treatment with organic compounds containing sulfur containing oxygen in addition to sulfur
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C09DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09BORGANIC DYES OR CLOSELY-RELATED COMPOUNDS FOR PRODUCING DYES, e.g. PIGMENTS; MORDANTS; LAKES
    • C09B69/00Dyes not provided for by a single group of this subclass
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C09DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09BORGANIC DYES OR CLOSELY-RELATED COMPOUNDS FOR PRODUCING DYES, e.g. PIGMENTS; MORDANTS; LAKES
    • C09B69/00Dyes not provided for by a single group of this subclass
    • C09B69/02Dyestuff salts, e.g. salts of acid dyes with basic dyes
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C09DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09BORGANIC DYES OR CLOSELY-RELATED COMPOUNDS FOR PRODUCING DYES, e.g. PIGMENTS; MORDANTS; LAKES
    • C09B69/00Dyes not provided for by a single group of this subclass
    • C09B69/10Polymeric dyes; Reaction products of dyes with monomers or with macromolecular compounds
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01BCABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B1/00Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors
    • H01B1/06Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors mainly consisting of other non-metallic substances
    • H01B1/12Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors mainly consisting of other non-metallic substances organic substances
    • H01B1/122Ionic conductors
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01BCABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B1/00Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors
    • H01B1/06Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors mainly consisting of other non-metallic substances
    • H01B1/12Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors mainly consisting of other non-metallic substances organic substances
    • H01B1/124Intrinsically conductive polymers
    • H01B1/128Intrinsically conductive polymers comprising six-membered aromatic rings in the main chain, e.g. polyanilines, polyphenylenes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01GCAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/22Electrodes
    • H01G11/30Electrodes characterised by their material
    • H01G11/48Conductive polymers
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01GCAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/54Electrolytes
    • H01G11/56Solid electrolytes, e.g. gels; Additives therein
    • HELECTRICITY
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Abstract

Les anions délocalisés sont des dérivés de substitution de perfluorométhanesulfonamides ou de polyalcoxysulfonamides, des anions cycliques dérivant d'acides barbituriques, ou des anions hétérocycliques de formule généra le (voir fig. I) dans laquelle Z1, Z2, Z3, Z4 et Z5 représentant soit un atome d'azote ~ N, soit un radical ~ CY, un groupement ~ S(=O)Q ou ~ PQ'Q" où Q, Q' et Q" identiques ou différents représentant - un groupement organique alkyle ou alkènyle, aryle, alkyl-aryle ou alkényl-aryl, contenant ou non des substituants oxa ou aza, simple ou perhalogéné, en particulier perfluoré de type RF. Y représentant: - un groupement Q, - un halogène F, Cl, Br, - un pseudo-halogène, c'est-à-dire un radical électroattracteur monovalent tel que CN, SCN, N3, CF3, OCF3, OCnF2n+1, OC2F4H, SCF3, SCnF2n+1, SC2F4H..., - un groupement XCO- ou XSO2- dans lesquels X représente soit un atome de fiuor, un groupement Q, un groupement alcoxy, vinyloxy ou dialkylamino, dialkènyl amino. Utilisation comme source d'ions dans des solutions électrolytiques, comme catalyseurs de polymérisation ou dans la catalyse de réactions chimiques.The delocalized anions are substitution derivatives of perfluoromethanesulfonamides or polyalkoxysulfonamides, cyclic anions deriving from barbituric acids, or heterocyclic anions of general formula (see fig. I) in which Z1, Z2, Z3, Z4 and Z5 represent either a nitrogen atom ~ N, or a radical ~ CY, a group ~ S (= O) Q or ~ PQ'Q "where Q, Q 'and Q" identical or different representing - an organic group alkyl or alkenyl, aryl , alkyl-aryl or alkenyl-aryl, containing or not containing oxa or aza substituents, simple or perhalogenated, in particular perfluorinated of the RF type. Y representing: - a group Q, - a halogen F, Cl, Br, - a pseudo-halogen, that is to say a monovalent electron-withdrawing radical such as CN, SCN, N3, CF3, OCF3, OCnF2n + 1, OC2F4H, SCF3, SCnF2n + 1, SC2F4H ..., - an XCO- or XSO2- group in which X represents either a fluorine atom, a Q group, an alkoxy, vinyloxy or dialkylamino, dialkenyl amino group. Use as a source of ions in electrolytic solutions, as polymerization catalysts or in the catalysis of chemical reactions.

Description

INTRODUCTION

CHAPITRE I: LES ÉLECTROLYTES

II-1 INTRODUCTION............................................... 1 II-2 LES CONDU~TEURS PROTONI~UES ............................... "

II-2-1 Introduction............................................. 2 II 2-2 Diagramme de phase du binaire im~ le/acide............... 10 II-2-3 Conductivité des électrolytes protoniques................ 14 II-2-4 Mécanisme de conductivité du proton dans le sel fondu ... 21 II-2-5 Domaine de stabilité éle.lrochimique du sel fondu........ 22 II-2-6 Conclusion sur les électrolytes protoniques.............. 23 II-3 LES CONDUCTEURS ALCALINS................................... 25 II-3-1 Introduction............................................. 25 II-3-1-1 Les interactions sels-solvants......................... 25Il-3-1-2 Les mesures d'acidité.................................. 32 Il-3-1-3 Les interactions sels-polymères........................ 37 II-3-2 Les anions ouverts ...................................... 43 II-3-2-1 Présentation générale.................................. 43 II-3-2-2 Synthèse des anions ................................... 5 7 II-3-2-3 Condrrctivité des anions ouverts....................... 61 II-3-2-4 Conclusion sur les anions ouverts...................... 7 1 II-3-3 Les anions cycliques..................................... 72 II-3-3-1 Présentation générale.................................. 72 II-3-3-2 Présentation générale de la synthèse des hétérocycles.. 81 II-3-3-3 Synthèse des anions.................................... 87 II-3-3-4 Conductivité des anions cycliques...................... 93 II-3-3-5 Perspectives........................................... 1 07 II-3-3-6 Conclusion sur les sels cycliques...................... 108 II-3-4 Conclusion sur les sels alcalins......................... 109 II-4 CONCLUSION SUR LES ÉLECTROLYTES............................ 110 Bibliographie................................................... 111 ;
CHAPITRE II: Les polymères à conduction mixte 114 II-l INTRODUCTION.................................................... 114 II-2 LES CARBONES GREFFÉS............................................ 115 II-2-2 Greffage de polymères......................................... 116 11-2-2-1 Modifications de la surface du carbone...................... 116 II-2-2-2 Greffage de polymères....................................... 119 II 2-3 Greffage de sels.............................................. 130 II-2-4 Conclusion.................................................... 131 II-3 LES POLYMERES SOLVATANTS REDOX.................................. 132 II-3-1 Introduction.................................................. 132 II-3-2 Les polymères rédox cationiques............................... 133 II-3-3 Les polymères rédox anioniques................................ 137 Il-3-2-1 Synthèse.................................................... 137 II-3-2-2 Essai électrochimique ...................................... 141 ll-3-2-3 Les empilements moléculaires................................ 147 II-3-4 Application comme mé~ te~r d'électrons dans les batteries.... 153 II-3-5 Application comme réserve de puissance dans les batteries..... 155 II-3-6 Application aux vitrages électrochromes....................... 167 II-3-7 Conclusions et perspectives................................... 175 Bibliographie........................................................ 176 CONCLUSION GÉNÉRALE

Annexe A
Annexe B

Introduction CAPTEUR ~LECTROCHROME BATTERIE
INTRODUCTION

CHAPTER I: ELECTROLYTES

II-1 INTRODUCTION .............................................. . 1 II-2 CONDUCTORS ~ PROTONI ~ UES ............................... "

II-2-1 Introduction ............................................ 2 II 2-2 Phase diagram of the binary im ~ le / acid ............... 10 II-2-3 Conductivity of proton electrolytes ................ 14 II-2-4 Mechanism of proton conductivity in molten salt ... 21 II-2-5 Range of electrochemical stability of molten salt ........ 22 II-2-6 Conclusion on proton electrolytes .............. 23 II-3 ALKALINE CONDUCTORS ................................... 25 II-3-1 Introduction ............................................ . 25 II-3-1-1 Salt-solvent interactions ......................... 25Il-3-1-2 Acidity measurements. ................................. 32 Il-3-1-3 Salt-polymer interactions ........................ 37 II-3-2 Open anions ...................................... 43 II-3-2-1 General presentation .................................. 43 II-3-2-2 Synthesis of anions ................................... 5 7 II-3-2-3 Condrrctivity of open anions ....................... 61 II-3-2-4 Conclusion on open anions ...................... 7 1 II-3-3 Cyclic anions ..................................... 72 II-3-3-1 General presentation .................................. 72 II-3-3-2 General presentation of the synthesis of heterocycles. 81 II-3-3-3 Synthesis of anions .................................... 87 II-3-3-4 Conductivity of cyclic anions ...................... 93 II-3-3-5 Outlook .......................................... . 1 07 II-3-3-6 Conclusion on cyclic salts ...................... 108 II-3-4 Conclusion on alkaline salts ......................... 109 II-4 CONCLUSION ON THE ELECTROLYTES ............................ 110 Bibliography................................................. .. 111 ;
CHAPTER II: Mixed conduction polymers 114 II-l INTRODUCTION .............................................. ...... 114 II-2 CARBON GRAFTED ............................................ 115 II-2-2 Grafting of polymers ......................................... 116 11-2-2-1 Changes in the carbon surface ...................... 116 II-2-2-2 Grafting of polymers ....................................... 119 II 2-3 Grafting of salts ........................................... ... 130 II-2-4 Conclusion ............................................ ........ 131 II-3 REDOX SOLVENT POLYMERS .................................. 132 II-3-1 Introduction ............................................ ...... 132 II-3-2 Cationic redox polymers ............................... 133 II-3-3 Anionic redox polymers ................................ 137 Il-3-2-1 Summary .......................................... .......... 137 II-3-2-2 Electrochemical test ...................................... 141 ll-3-2-3 Molecular stacks ................................ 147 II-3-4 Application as me ~ te ~ r of electrons in batteries .... 153 II-3-5 Application as a power reserve in batteries ..... 155 II-3-6 Application to electrochromic glazing ....................... 167 II-3-7 Conclusions and perspectives ................................... 175 Bibliography................................................. ....... 176 GENERAL CONCLUSION

Annex A
Annex B

Introduction SENSOR ~ LECTROCHROME BATTERY

2 Platine ~ HylrO2 Lithium -- e~

t ~ t ~ ~ ~ ~ a~

Ho 5V2~5 HXWO3 TiS2 ,.............................................. .
. Il~

Chapitre I:
LES ELECTROLYTES

11-1 lntroductlon:

Les électrolytes sont au coeur de tous les systèmes électrochimiques, tant aussi bien les générateurs électrochimiques, les vitrages électrochromes, les capteurs, et autres, dans lesquels ils permettent le transport des ions entre les deux électrodes où se produisent les réactions électrochimiques.

Depuis une quin7~ine d'années, le concept d'une électrochimie en film mince a émergé, essentiellement dans le cadre du développement des batteries à hautes densité d'énergie. La voie la plus prometteuse pour la mise au point de ces systèmes est de tenter de concilier une chimie plus complexe que celle utilisée dans les systèmes actuelles, avec la possibilité de fabriquer ces produits suivant les technologies éprouvées de productions de films minces.

Une telle approche nécessite de disposer en particulier d'électrolytes plastiques permettant de travailler avec des épaisseurs relativement minces (~ 50 ~Lm), et capables de supporter les contraintes mécaniques inhérentes à ces procédés.

En termes de chimie, on peut distinguer deux grandes familles d'électrolytes polymères: les électrolytes polymères protoniques, et les électrolytes polymères à base de sel de métal alcalin.

Les électrolytes protoniques présentent un intérêt particulier pour la réalisation de sources énergétiques de puics:ln~e, leurs conductivités étant en général assez élevée, ce qui a motivé la partie les concernants dans le présent travail.

Concernant les électrolytes polymères à base de métal de métal alcalin, les conducteurs au lithium sont particulièrement étudiés pour le développemment des batteries au lithium à électrolytes polymères. Ils sont obtenus par dissolution d'un sel de lithium dans une matrice polymère solvatante, tel le poly(oxyde d'éthylène). Le côut de ce sel représentant généralement une fraction non négligeable du prix total de ces systèmes, nous avons cherché à explorer de nouvelles voies de synthèse de ces anions. Pour ce faire, nous avons analysé d'après les données de la littérature les critères physico-chimiques pennett~nt d'envisager d'obtenir des sels dissociés en milieu polymère, et par la suite, exploré les différentes vois de synthèses permettant d'obtenir des sels répondant à ces critères.

~1 q4' 27 II-2 Les conducteurs protoniques:

II-2-1 Introduction:

Le proton diffère nettement des autres ions alcalins essentiellement par son rayon ionique 105 fois plus faible (r- 1 fm). Du fait du pouvoir polarisant qui ~n rusulle, on pe~uppojur ~u'ii n'exis~e pas à l'état non solvaté, mais toujours assoeié à un atome donneur de doublets (O, N, S,...) dans le cas des conducteurs protoniques organiques, ou à des sites crict~llins du réseau pour les conducteurs minéraux. On peut distinguer deux méc:lnicmes de déplacement du proton [Colomban,A~ and1,2,Kreuerl le transport véhiculaire et le transport suivant le mé-c~nicme de Grotthus (également dénommé
mécanisme de translocation). Dans le cas du méc~nicme véhiculaire, le proton est assoeié à une 7 7 7 molécule basique (H2O, NH3, .. ) qui diffuse et ~~\ ~~\ ~~\
libère le proton sur le site réactionnel (site réactif, H\+/~ " ~H~ (~" J~ " ~H
électrode,.. ). Le mécanisme de Grotthus, typique l l l I
des solvants protiques, implique le déplacement du H H H H
Figure 2.1: Mécanisme de transport véhiculaire proton par l'échange coopératif entre liaisons duprotonenmilieuaqueux, d'aprèsfArmand2].
chimiques et liaisons hydrogène~ Plus précisément, en prenant l'exemple, illustré sur la figure 2.1, de la conduction protonique dans l'eau, le processus se déroule en deux étapes: le proton se transfert d'un ion oxonium à une molécule d'eau par effet tunnel le long d'une liaison hydrogène, puis la molécule d'eau ainsi reformée se réoriente afin de fixer un nouveau proton. Les mécanismes réels de la conduction protonique sont certes plus complexes, on peut cependant noter que le déplacement du proton suivant le mécanicme de Grotthus correspond à des conductivités environ dix fois supérieures à celles régies par le mécanisme véhiculaire.

Les conducteurs protoniques font l'objet d'une intense activité de recherche, à la fois fondamentale pour comprendre les méeanismes particuliers de la conduction protonique, et appliquée, essentiellement comme éleetrolyte minérale ou polymère pour le développement de piles à
combustibles, capacités électrochimiques, vitrages électroehromes, capteurs, et batteries [Colombar~ n~f~r~ "il. Depuis une dizaine d'années, différentes études conduites principalement au LIES-G à Grenoble, et au laboratoire de spectroscopie moléculaire et crict~lline (LSMC) de l'Université de Bordeaux ont mis en évidence la possibilité de réaliser des eonducteurs protoniques polymères anhydres [Trinquet.Defendini.Charbouillot.Prusse~ ~ Ds7e~Remmudez1,Ravetl A l~heure aetuelle ces électrolytes sont utilisés sous la forme de films minces de quelques di7~ines de microns pour la mise au point de vitrages électrochromes [Ravet~Ripoche]. Par la suite, il ne sera pas fait une description exh~ustive de tous les matériaux étudiés, en invitant le lecteur plus particulièrement intéressé à se reporter aux articles de synthèse publiés à ce jour [1 ~5egu~- Armand1,2l, mais plutôt à définir les généralités communes à ceux-ci.

Les premiers électrolytes polymères étudiés ont été obtenus en dissolvant un acide fort, le plus souvent minéral, dans une matrice polymère solvatante comportant des hétéroatomes oxygénés ou azotés, et donc à caractère basique au sens de Lewis. Par la suite, l'intérêt se portera plus particulièrement sur les électrolytes protoniques utilic~n~ le polyoxyde d'éthylène (POE), de motif monomère (CH2-CH2-O), comme matrice solvatante [De~endini]. Les châînes de POE étant coupées r:ll idcmcnt cn milicu ;l~icl~ ~q-lcu:Y, il ~sl irnrer~ r dc lrav~ r cn milicu ~:lrf ~i~emcnl ;lnlly(lr~.
CU~CilU.lili, m~ e Cll ~ , ;'u~ iioll U'L~(.;iUt; U~ fUl~ p~UL ~;ùnuuir~ a une i~nLe ~ie~ra~iaLion ~ill polymère. De plus, l'acide utilisé doit être peu volatil pour assurer le m~intiPn de sa concentration aux cours du temps. Le choix s'est alors porté sur l'acide orthophosphorique, peu volatil, et dont la première acidité d'un pKa~ 2 en milieu aqueux est suffic~mment forte pour induire de nombreux porteurs de charges, tout en limit:lnt la dégradation du polymère. L'acide orthophosphorique anhydre présente une conductivité protonique non négligeable ~2.10-4 Q-l.cm-1 à 20~C, du fait de son autoprotonation et autodéshydratation, l'équilibre d'autoprotonation étant décrit par l'équation:
2 H3PO4 H4PO4+ + H2POi Lors de la dissolution de l'acide orthophosphorique dans le POE, les doublets libres présents sur les atomes d'oxygène du polymère, que l'on peut ici aussi supposer garder sa structure hélicoïdale, solvatent le cation H4PO4+ permettant ainsi la dissociation de l'acide. La conductivité de ces électrolytes est contrôlée par un diagramme de phase avec un composé défini pour un rapport du nombre d'unités solvatantes du POE par molécules d'acides O/P - 4/3, et un premier eutectique de Te ~ 37~C pour une composition O/P = 2 associée au maximum de conductivité des électrolytes, comme l'illustre la figure 2.2 IA~and1l. Il est important de noter que contrairement aux travaux cités, le rapport O/P est défini par rapport au nombre de moles de phosphore (et donc d'acide phosphorique), et non pas par rapport au nombre de moles de protons (chaque molécule d'acide orthophosphorique contenant trois protons). Ceci revient à considérer uniquement le proton acide dans H3PO4, et permet d'utiliser une définition homogène vis à vis des autres électrolytes cités par la suite, s~ch:lnt au final que O/P = 3-0/H.

Figure 2.2: Diagramme de phase du mélange POE/H3P04, et isotherme de conductivité pour cette éla,b~,lyte entre 0 et 70~C, d'après ~Armand2~.

21941~7 -Il a été proposé que la composition eutectique colles~ond à un cation H4PO4 I solvaté par hélice, avec un anion H2PO4- en dehors de celle-ci, comme l'illustre la figure 2.3. Pour cette composition, les électrolytes se présentent sous la forme de films amorphes dans un état infinirnent métastable, optiquemen~c transparents, et d'une conductivité d'environ 3.10-5 Q-l.cm-l à 25~C.

Figure 2.3: Mécanis",e de solvatation pour la coi"~,osition eutectique d'apres [Defendini].
Les m~c~ni.cmes de déplacement du proton dans ces électrolytes ne sont pas encore totalement élucidés du fait de leurs complexités, et ce, déjà dans le cas de l'acide orthophosphorique pur [Dippel].
Des études par RMN à gradient de champ pulsé et diffusion de neutrons ont montré cependant, que la mobilité du proton est couplée là aussi aux mouvement~s des segments de la chaîne polymère IDefendini~u;~l~Yllulll. On peut supposer que la conductivité est assurée, suivant un méc~ni.cme de Grotthus, par le transfert du proton d'un cation H4PO4+ à un anion H2PO4- associé à un méC~nicme de solvatation/désolvatation et de réorientation [BerUlierl des espèces ioniques suivant:
H2PO4 + H4PO4+solvaté ~ H4PO4' solvaté + H2PO4-Si l'on considère que le POE joue un rôle de solvant équivalent à l'eau dans les solutions aqueuses d'acide orthophosphorique, les électrolytes à base de mélanges POE/H3PO4 sont intrinsèquement des conducteurs protoniques acide de pKa ~ 2, et ce, en supposant que le POE modifie peu l'activité du proton par rapport à l'eau. Ces électrolytes sont un des exemples de conducteurs protoniques obtenus par dissolution/solvatation d'un CF3SO3 acide arnphotère par une matrice polymère faiblement ba~sique. NH2 NH2 NH3+ NH2 ,NH2 La chimie des procédés sol-gel a permis de développer une autre <) classe intéressante de conducteurs protoniques vitreux obtenus par polyconden.s~tion de composés organosiliciés tel l'aminopropyl trialkoxysilane et dénommés de ce fait aminosils ~ _ Charbouillot,P~ c~ ~and2l On obtient ainsi un matériau composite organique/inorganique dont la structure, décrite sur la ~lgure ci-contre, est supposée être celle d'un polymère peigne non réticulé. Ces NH2 NH~3~ NH2 NH2 polymères, stables en milieu acide, forment des solutions solides CF3SO3transparentes pour des taux d'amines protonées inférieurs à 50% avec AMINOSILS

des monoacides forts comme l'acide perchlorique (HCl04), ou l'acide trifluorométhane sulfonique (HCF3SO3). La rigidité du matériau est assurée par la trame siliciée dont la température de tr~nsition vitreuse n'est pas observable avant le début de sa décomposition thermique, à partir d'une température de 280~C. La conductivité protonique, quant à elle, obéit à un méc~nicme de Grotthus, par le saut du proton d'un ~ h~nn ammonium à une amine par effet tunnel le long d'une liaison hydr~c'~ , S~ "t " ~.c r~ .F~r.~i~r.s ~ .ot~icr. ~,tou; ~c ~ vr.
carbone/azote. De plus, les différents mouvements de libres rotations possibles autour des liaisons carbone/carbone des segments propyles induisent un mouvement de b~l~ncçment des châînes latérales du polymère qui favorisent le transfert du proton par le rapprochement des fonctions ~min~es [Ch '~ . Des mesures de coefficient de diffusion par RMN à gradient de champ pulsé ont permis de montrer que la conduction est assurée essentiellement par le proton (t+ ~ 0,85 à 140~C pour un dopage à H/N= 10% par CF3SO3H, ce rapport exprimant la fraction molaire d'amine protonée).
Les électrolytes dopés à H/N=7,5% par CF3SO3H présentent une conductivité d'environ
2 Platinum ~ HylrO2 Lithium - e ~

t ~ t ~ ~ ~ ~ a ~

Ho 5V2 ~ 5 HXWO3 TiS2 , ...............................................
. He ~

Chapter I:
ELECTROLYTES

11-1 lntroductlon:

Electrolytes are at the heart of all electrochemical systems, both generators electrochemical, electrochromic glazing, sensors, and others, in which they allow the transport of ions between the two electrodes where the electrochemical reactions take place.

Over the past fifteen years, the concept of thin film electrochemistry has emerged, mainly in the context of the development of high energy density batteries. The way more promising for the development of these systems is to try to reconcile a more complex than that used in current systems, with the possibility of manufacturing these products using proven technologies for producing thin films.

Such an approach requires in particular to have plastic electrolytes allowing work with relatively thin thicknesses (~ 50 ~ Lm), and able to withstand mechanical constraints inherent in these processes.

In terms of chemistry, we can distinguish two main families of polymer electrolytes:
proton polymer electrolytes, and polymer electrolytes based on alkali metal salt.

Proton electrolytes are of particular interest for the production of sources energetic of puics: ln ~ e, their conductivities being in general rather high, which motivated the part concerning them in this work.

Regarding polymer electrolytes based on alkali metal, lithium conductors are particularly studied for the development of lithium batteries with electrolytes polymers. They are obtained by dissolving a lithium salt in a solvating polymer matrix, such as poly (ethylene oxide). The cost of this salt generally represents a fraction not negligible of the total price of these systems we have sought to explore new avenues of synthesis of these anions. To do this, we analyzed according to literature data the physico-chemical criteria pennett ~ nt to consider obtaining dissociated salts in a polymer medium, and thereafter, explored the different voices of syntheses making it possible to obtain salts corresponding to these criteria.

~ 1 q4 '27 II-2 The proton conductors:

II-2-1 Introduction:

The proton differs markedly from other alkaline ions mainly by its ionic radius 105 times lower (r- 1 fm). Due to the polarizing power which ~ n rusulle, we pe ~ uppojur ~ u'ii ne exist ~ e not in an unsolvated state, but always associated with a donor atom of doublets (O, N, S, ...) in the case of organic proton conductors, or at crict ~ llins sites of the network for conductors minerals. We can distinguish two mechanisms: proton displacement lymmas [Colomban, A ~ and1,2, Kreuerl le vehicle transport and transport according to the me-c ~ nicme of Grotthus (also called translocation mechanism). In the case of vehicle mechanics, the proton is associated with a 7 7 7 basic molecule (H2O, NH3, ..) which diffuses and ~~ \ ~~ \ ~~ \
releases the proton at the reaction site (reactive site, H \ + / ~ "~ H ~ (~" J ~ "~ H
electrode, ..). The mechanism of Grotthus, typical lll I
protic solvents, involves the displacement of HHHH
Figure 2.1: Vehicle transport mechanism proton by the cooperative exchange between protonenmilieuaqueux, according to Armand2].
chemicals and hydrogen bonds ~ More specifically, taking the example, illustrated in figure 2.1, of the proton conduction in water, the process takes place in two stages: the proton transfers from an oxonium ion to a water molecule by effect tunnel along a hydrogen bond, then the water molecule thus reformed is redirected in order to fix a new proton. The real mechanisms of proton conduction are certainly more complex, we can however note that the displacement of the proton following the Grotthus mechanism corresponds to conductivities about ten times higher than those governed by the mechanism vehicular.

Proton conductors are the subject of intense research, both fundamental to understand the particular mechanisms of proton and applied conduction, essentially as a mineral or polymeric electrolyte for the development of fuels, electrochemical capacities, electroehrome glazing, sensors, and batteries [Colombar ~ n ~ f ~ r ~ "il. For the past ten years, various studies mainly conducted at LIES-G in Grenoble, and at the molecular spectroscopy and crict ~ lline laboratory (LSMC) of the University of Bordeaux have highlighted the possibility of making proton conductors anhydrous polymers [Trinquet.Defendini.Charbouillot.Prusse ~ ~ Ds7e ~ Remmudez1, Ravetl At the present time these electrolytes are used in the form of thin films of a few di7 ~ ines of microns for setting at the point of electrochromic glazing [Ravet ~ Ripoche]. Thereafter, no description will be made exh ~ ustive of all the materials studied, inviting the reader more particularly interested to refer to the summary articles published to date [1 ~ 5egu ~ - Armand1,2l, but rather to define the generalities common to these.

The first polymer electrolytes studied were obtained by dissolving a strong acid, the most often mineral, in a solvating polymer matrix comprising oxygenated heteroatoms or nitrogen, and therefore basic in the sense of Lewis. Thereafter, interest will go more particularly on protic electrolytes utilic ~ n ~ polyethylene oxide (POE), pattern monomer (CH2-CH2-O), as solvating matrix [De ~ endini]. POE chains being cut r: ll idcmcnt cn milicu; l ~ icl ~ ~ q-lcu: Y, il ~ sl irnrer ~ r dc lrav ~ r cn milicu ~: lrf ~ i ~ emcnl; lnlly (lr ~.
CU ~ CilU.lili, m ~ e Cll ~,; 'u ~ iioll U'L ~ (.; IUt; U ~ fUl ~ p ~ UL ~; ùnuuir ~ a une i ~ nLe ~ ie ~ ra ~ iaLion ~ ill polymer. In addition, the acid used must be low volatile to ensure the m ~ intiPn of its concentration to over time. The choice then fell on orthophosphoric acid, which is not very volatile, and whose first acidity of a pKa ~ 2 in aqueous medium is suffic ~ mment strong to induce many charge carriers, while limiting: lnt degradation of the polymer. Anhydrous orthophosphoric acid has a significant proton conductivity ~ 2.10-4 Ql.cm-1 at 20 ~ C, due to its autoprotonation and autodehydration, the balance of autoprotonation being described by the equation:
2 H3PO4 H4PO4 + + H2POi When the orthophosphoric acid dissolves in the POE, the free doublets present on the oxygen atoms of the polymer, which we can also assume here to keep its helical structure, solvate the cation H4PO4 + thus allowing the dissociation of the acid. The conductivity of these electrolytes is controlled by a phase diagram with a compound defined for a ratio of number of POE solvating units per O / P acid molecules - 4/3, and a first eutectic of Te ~ 37 ~ C for a composition O / P = 2 associated with the maximum conductivity of the electrolytes, as illustrated in figure 2.2 IA ~ and1l. It is important to note that unlike the works cited, the O / P ratio is defined relative to the number of moles of phosphorus (and therefore of acid phosphoric), not relative to the number of moles of protons (each acid molecule orthophosphoric containing three protons). This amounts to considering only the acid proton in H3PO4, and makes it possible to use a homogeneous definition with respect to the other electrolytes cited by the continuation, s ~ ch: lnt in the end that O / P = 3-0 / H.

Figure 2.2: Phase diagram of the mixture POE / H3P04, and isothermal conductivity for ce éla, b ~, lyte between 0 and 70 ~ C, according to ~ Armand2 ~.

21941 ~ 7 -It has been proposed that the eutectic composition adhesives ~ ond to a H4PO4 I cation solvated by helix, with an H2PO4- anion outside of it, as illustrated in figure 2.3. For this composition, the electrolytes are in the form of amorphous films in an infinitely metastable state, optiquemen ~ c transparent, and a conductivity of about 3.10-5 Ql.cm-l at 25 ~ C.

Figure 2.3: Mechanis ", e of solvation for coi" ~, eutectic position according to [Defendini].
The m ~ c ~ ni.cmes of displacement of the proton in these electrolytes are not yet completely elucidated because of their complexities, and this, already in the case of pure orthophosphoric acid [Dippel].
Pulsed field gradient and neutron scattering NMR studies have shown, however, that the mobility of the proton is also coupled there to the movement ~ s of the chain segments IDefendini polymer ~ u; ~ l ~ Yllulll. We can assume that the conductivity is ensured, according to a mec ~ ni.cme of Grotthus, by the transfer of the proton from an H4PO4 + cation to an H2PO4- anion associated with a méC ~ nicme of solvation / desolvation and reorientation [BerUlierl of the following ionic species:
H2PO4 + H4PO4 + solvated ~ H4PO4 'solvated + H2PO4-Considering that POE acts as a solvent equivalent to water in aqueous solutions of orthophosphoric acid, the electrolytes based on POE / H3PO4 mixtures are intrinsically acid proton conductors of pKa ~ 2, assuming that POE does little to modify the activity of proton relative to water. These electrolytes are one example of proton conductors obtained by dissolution / solvation of a CF3SO3 arnphoteric acid by a weakly ba ~ sic polymer matrix. NH2 NH2 NH3 + NH2, NH2 The chemistry of sol-gel processes has made it possible to develop another <) interesting class of glassy proton conductors obtained by polyconden.s ~ tion of organosilicon compounds such as aminopropyl trialkoxysilane and therefore called aminosils ~ _ Charbouillot, P ~ c ~ ~ and2l We thus obtain a composite material organic / inorganic whose structure, described on the ~ lgure opposite, is assumed to be that of a non-crosslinked comb polymer. These NH2 NH ~ 3 ~ NH2 NH2 polymers, stable in acidic medium, form solid CF3SO3 transparent solutions for protonated amine levels less than 50% with AMINOSILS

strong monoacids such as perchloric acid (HCl04), or trifluoromethane sulfonic acid (HCF3SO3). The rigidity of the material is ensured by the silicon frame, the tr ~ nsition temperature glassy is not observable before the start of its thermal decomposition, from a temperature of 280 ~ C. The proton conductivity, for its part, obeys a mechanism of Grotthus, by the jump of the proton from a ~ h ~ nn ammonium to an amine by tunneling along a bond hydr ~ c '~, S ~ "t" ~ .cr ~ .F ~ r. ~ i ~ rs ~ .ot ~ icr. ~, tou; ~ c ~ vr.
carbon / nitrogen. In addition, the different movements of free rotations possible around the connections carbon / carbon of the propyl segments induce a movement of b ~ l ~ ncçment of the side chains of the polymer which promote the transfer of the proton by bringing together the ~ min ~ es functions [Ch '~. Diffusion coefficient measurements by pulsed field gradient NMR made it possible to show that the conduction is ensured essentially by the proton (t + ~ 0.85 to 140 ~ C for a doping at H / N = 10% by CF3SO3H, this ratio expressing the molar fraction of protonated amine).
Electrolytes doped at H / N = 7.5% by CF3SO3H have a conductivity of approximately

3.10-5 Q-l.cm-l à 25Oc[Rousseaul Contrairement aux électrolytes à bases de mélanges POE/H3PO4 pour lesquels l'activité du proton est fixée par la force de l'acide utilisé, le proton se déplaçant par saut d'un cation ammonium à une amine dans les aminosils (tout comme pour l'ammoniac liquide), l'activité du proton est déterminée par la force de la base servant de relais aux protons. Ces électrolytes sont donc des conducteurs protoniques basiques de pKa~ 11. Les aminosils appartiennent à la famille des électrolytes obtenus par dopage par excès de protons d'une matrice polymère basique.

Plus récemment, d'autres conducteurs protoniques basiques ont été étudiés au LIES-G [D~Z~ J~ 2]. Le plus simple d'entre eux est obtenu par la dissolution de sulfamide dans une matrice de POE, les sulfamides étant, en général, des molécules faiblement acide de pKa= 10,4 dans l'eau [GalwaYl. La sulfamide est dissoute dans le POE via les liaisons hydrogène intermoléculaire entre les atomes d'oxygène du polymère, et les atomes d'hydrogène des groupernents aminés de la molécule de sulfamide. Les fonctions éthers du POE étant moins basiques que les groupements aminés de la sulfamide, celles-ci ont moins tendance à arracher un proton à la sulf~mide que la sl-lf~mide à elle-même. Les liaisons hydrogène interslllf~mi-le prédominant dans ces électrolytes, il en découle que la sl~lf~mide plésen~e un équilibre d'autoproton~tion dans le POE suivant:
2 H2NSO2NH2 ~ H2NSO2NH- + H2NSO2NH3+
Tout comme pour les mélanges POE/H3PO4, on peut supposer que la solvatation des espèces cati--ni-lues à l'intérieur des hélices de POE favorisent le dépl~cçment de l'équilibre d'autoprotonation vers la droite. Le transfert du proton est assuré dans ces électrolytes par la présence simultanée de lacunes de protons (molécules de s~llf~mides déprotonées) et de protons (molécules de slllf~mides protonées) suivant un m~c:~ni.cme de Grotthus.

21, 941 27 Le diagramme de phase du binaire POE/sulfamide prés~nte-nt quatre paliers eutectiques pour des rapports du nombre d'unités solvatantes du POE à la s~llf~mide (O/S) respectivement de 2, 4, 9 et 30.
La ~ l---t; du palier eutectique dimim~e lorsque la concentration en sl-lf~mi~e aU~n~nte~ le point de fusion de l'eutectique pour une composition à O/S = 2 étant de 25~C. Du fait de la crist~llinité du POE, les conductivités obtenues à l'ambiante sont médiocres, de l'ordre de 10-8-10-9 Q-l.cm-l.
Cependant, comme il scra pr~cis~ par la suite, avec des polymères peignes non cristallins unc cor,ductivité m~xim~le d'environ 10-5 Q-l.cm-l est obtenuc a v~'' pc.i. la ~e~ll.pûsLLicrl CIS =, .

La concentration O/S = 2 correspond, tout comme pour l'acide orthophosphorique, à une molécule de snlf~mide pour deux unités solvatantes du polymère. Ceci milite pour une structure de l'eutectique à O/S = 2 identique à celle obtenue avec H3PO4, avec une molécule de sulfamide protonée par hélice de POE, associée à une molécule de sulf~mide déprotonée en dehors de celle-ci. Par~llelement~ il est intéressant de mentionner la synthèse de copolymères (PSJ600), intégrants la fonction slllf~mide dans leurs sllu~;lures~ par la polycondensation de sulf~mide avec des segments POE di~min~s de masse 600 (Jerr~ e~ 600-ED) suivant la réaction:

H2N~H2--CH2--O~ NH2 + H2NSO2NH2 3/NH ~ ~:H2--CH2--O~H--SO2~H--Les électrolytes à base de mélanges POE/sulfarnide sont le pendant des électrolytes POE/H3PO4, ainsi, par le même principe de dissolution/solvatation d'une molécule amphotère dans une matrice polymère faiblement basique, il est possible d'aboutir à des conducteurs protoniques pour lesquels l'activité du proton varie d'un pKa ~ 2 pour les électrolytes POE/H3PO4 à un pKa ~ 10 pour les électrolytes POE/sulfamide.

La conductivité de ces électrolytes peut être nettement améliorée par le dopage avec une base plus forte que la sulfamide, telle la gu:lnidine, jouant le rôle d'agent déprotonant. Le dopage permet la création contrôlée de lacunes de protons dans l'électrolyte, et l'augmen~tion du nombre de porteurs de charges. Le transport ionique est alors assuré uniquement par les lacunes de protons. La conductivité présente un maximum, dépendant du taux de dopage, pour une concentration donnée en sulfamide donnée. Ainsi, les meilleures conductivités obtenues sont comprises entre 10-4 et 10-5 Q-l.cm-l pour une température de 20~C, soit une ~lgm~nt~ion de la conductivité pouvant atteindre cinq ordres de gr~nde~lrs par Mpport à un électrolyte non dopé à cette température. Ces électrolytes sont des conducteurs protoniques basiques obtenus par la création de lacunes de protons.

Comme mentionné précé~demm~nt, afin de s'affranchir des problèmes liés à la crict~llinit~ du POE, d'autres réseaux solvatants furent envisagés, dont en premier lieu, des polymères peignes conten~nt un squelette de méth~crylate à chaînes oligooxyéthylèniques latéMles, et dont la formule est indiquée ci-dessous. L'étude a porté sur deux polymères contenants respectivement huit (PMPEGM 400 Dalton) et vingt-deux unités (PMPEGM 1000 Dalton) d'oxyde d'éthylène sur la châîne latérale.

-Le PMPEGM 1000 étant semi~ict~llin, les études de conductivités ont été ~ffectllé~s essentiPll~ment avec le PMPEGM 400, celui-ci ne présent~nt pas de trace de tCH--c~-cri~t~llinité, pour des électrolytes de compositions O/S de 2, 4, et 30, dopés avec de c--o la gu~nirline pour des concentrations N/H respectivement de 0, 1, 5, 10, et 20% (le o rapport N/H exrrim~nt le rapport en moles de la gu~ni~ine à l'çncemble des protons cH2 de la sulfamide). Pour les trois concentrations en sulf~mide envic~gées~ un optimum cH2 dc CCI.. ùC.iiit~, cs. obtcnu pour un ~ux de dopagc N/H de 5%, par conh-e avec ~in ~m dopage plus important, la conductivité est CH3 - - - PMPEGM
inférieure à celle sans agent dopant. L'optimum 2 - - ~ - 2 - de conductivité résulte d'une compétition entre l'augment~tion du nombre de porteurs de charges via le dopage par la guanidine, et l'augmentation concomitante de la température de transition vitreuse du polymère. Une conductivité maximale de \NH \Ne N \, 2.10-5 S2-l.cm-l est obtenue à 20~C pour l'électrolyte de 2 <~NH composition O/S = 2 dopé à N/H = 5%. D'autre part, la chimie R R des procédés sol-gel a permis de développer des réseaux (1-x) (x) (x) ~(y) org~nosiliriés intégrants dans leurs structures la fonction méthyle R = CH3 ou ~ > ou benzènesulfonamidosil (respectivement symbolisée ici par POE ~ MSAS et BSAS), la base déprotonante, et une châîne de POE
jouant le rôle d'agent pl~ctifi:lnt, ces matériaux ont été dénommés ~ sulfonamidosils (voir la figure ci-contre). L'agent déprotonant SULFONAMIDOSILS choisit ici est un alkoxysilane-alkylimidazoline de pKa~ 13.
Après optimis~tion du rapport respectif des différentes composants, une conductivité de 7.10-8 Q-l.cm-l est obtenue à 25~C, pour un électrolyte intégrant une châîne de POE de masse 2000, et de composition x = 15% (en moles) en be~7~anesulfon:lmidosil et y = 30% (rapport molaire relatif à l'ensemble des siloxanes). La dissolution de sulfamide libre dans un copolymère d'imidazoline greffé et de châînons POE, faisant parti de la famille des ormolytes (abréviation pour organically modified silicate electrolytes), a permis d'améliorer les conductivités, ainsi, on obtient une conductivité de 10-6 Q-l.cm-l à 20~C avec un châînon de POE de masse 2000 pour un électrolyte à O/S = 2 dopé par l'imid~7Oline greffé à N/H = 10%.

Il existe donc une grande variété de conducteurs protoniques pr~sent~nt une conductivité d'environ 10-5 Q-l.cm-l à la ~mp~,dture ~mbi~n~, celle-ci étant reconnue comme le minimum requis pour la ré~ tion de systèmes électrochimiques en technologie films minces~ L'activité du proton dans ces électrolytes peut varier sur une large gamme de pKa~ typiquement comprise entre 2 et 12. La cl~ccification des électrolytes suivant l'activité du proton permet de cerner les dom~in~s d'appli~atiQn~
envisageables pour ces m~téri~llx. Ainsi, les hydroxydes prés~nt~nt un dom~ine de stabilité dans une fenêtre de pH allant de 4 à 12 associés, par exemple, avec des aminosils ou des mélanges POE/slllf~mide dopés permettent d'envisager la re~ tion de batteries protoniques en films minces.

2 I q4t 27 Les conducteurs protoniques POEIH3PO4, pour leur part, ont trouvé une application dans le cadre du développement des vitrages électrochromes pour lesquels la nature des électrodes rend plus intéressante l'utilic~tion d'électrolytes "acide" [Ripoche]. Cependant, plutôt que de classer les électrolytes en fonctions de l'activité du proton, il semble plus judicieux de comparer ceux-ci suivant la nature du dopage permettant d'initier la conductivité protonique dans la matrice solvatante considérée. Il est air~si possible de définir trois familles de conducteurs protonie~es, s.~it les clc~..ulj-~s ob~nus p;u:

~ la dissolution/solvatation d'une molécule amphotère dans une matrice solvatante ~ le dopage par excès de protons (dopage "p") ~ le dopage par lacunes de protons (dopage "n") On peut établir un parallèle entre le dopage par trous ou excès de protons des électrolytes avec le dopage n ou p utilisé pour initier une conductivité électronique dans les ~mi-conducteurs. En effet, dans les deux cas, le matériau acquière des propriétés de conduction électriques (respectivement ioniques ou électroniques) en créant un excès ou un défaut de charges (respectivement de protons ou d'électrons). Cepensl ~nt les con~ cteurs protoniques ne peuvent pas être décrits simplement, comme les semi-conducteurs, par un diagramme de bande d'énergie.

Les tableaux 2.1 à 2.3 résument ainsi les différentes conductivités obtenues à 20~C, respectivement pour la famille des électrolytes protoniques obtenues par dissolution/solvatation d'une molécule amphotère, par dopage par excès de protons, et enfin par dopage par lacunes de protons. Il a étë
ajouté les résultats pour les électrolytes utilisant la polyéthylène imine (PEI) [RaVe~l, ce polymère faisant l'objet de nombreuses études et étant N N H
poter til~llement un candidat pour le développement industriel de fenêtres POLYETHYLENE IMINE
électrochromes. La PEI peut être dopée en acide sur une large gamme de concentration, typiquement de 0 à 2 molécules d'acide par amine (définie par le rapport mol~ire HIN
d'acide par fonction arnine), on passe ainsi d'un électrolyte pour lequel le proton se transfert par saut d'un cation ~mmonium à une amine, à un méc~ni~me de transfert via les molécules d'acide [' aSce~ 51.
Ainsi, pour les électrolytes obtenues en dopant la PEI par H3PO4, l'activité du proton dépend de la concentration en acide et passe d'un pKa ~ 11 à un pKa ~ 2 [Tnnquetl.

Tableau 2.1 l~le~,lrulytes obtenus par ~i~ ssl~lisl-/solvatation d'une .I.~lé ~'e amphotère.
Dopant Polymère Composition Conductivité pKa amphotère solvatant (O/dopant) (S2-l.cm-l) relatif à l'eau H3PO4 POE O/P = 2 2.105 ~ 2 H2NSO2NH2 POE O/S = 2 8.10-1~ ~ 10 H2NSO2NH2 PMPEGM400 OIS = 2 z 10-5 ~ 1 0 Autodopé PSJ600 O/S ~ 14 3.10~ ~ 12 21 q41 27 Tableau 22 ~IE~tr.~ tes obtenus par dopage par excès de protons.
Dopant Matrice Composition Conductivité pKa acide polymère (Q-l.cm-l) relatif à l'eau CF3SO3H Arninosils H/N = 7,5% 2.10~
H3PO4 PEI H/N = 1,5 2.10~ ~ 2 Tableau 2.3 Electrolytes basiques obtenus par dopage par lacunes de protons.
Base Base Matrice Composition Conductivité
déprotonante polymère (Q-l.cm-l) Sulfamide Guanidine POE N/H = 0,1 O/S = 2 z 10-4 Sulfamide Guanidine PMPEGM400N/H = 5% O/S = 2 2.10-5 BSAS Imidazoline Sulfonamidosilsx = 15% y = 30% 5.10-8 Sulfamide greffée OrmolytesO/S = 2 N/H = 0,1 10-6 La chimie du vivant offre de nombreux exemples de la richesse des différents méC~nicmes possibles de transfert du proton, celui-ci jouant un grand rôle en biologie, des transferts de protons étant impliqués dans pratiquement tous les processus biologiqueslHadZi]. En effet, les propriétés fonctionnelles des protéines dépendent e~sentipllement de leurs org~ni~tion spatiale, et donc de l'état de charge des aminoacides les composants. Le transfert du proton entre les Cil2--CH--COOH
sites basiques et acides des protéines, aussi bien qu'entre ceux-ci et le milieu F~ NH2 aqueux, influence donc leurs fonctionnalités en modifiant leurs N~NH
conformations. Parmi tous les aminoacides, l'histidine joue un rôle HISTIDINE
important dans les processus de transfert du proton du fait de la présence du gro~-pem.ont imidazole, se protonant à pH ~ 7, en particulier comme médiateur de transfert du proton dans de nombreuses réactions enzymatiques. Cette dernière molécule donne de fortes liaisons hydrogène, de forces au moins comparables à celles de l'eau.

Aussi, a-t'il été envisagé l'étude spécifique de l'imid~7ole pour la synthèse de conducteurs protoniques. Des essais prélimin~ires ayant montré que le mélange d'imid~ole et d'acide triflique présetlt~it un point de fusion pouvant se situer prés de la température ambiante suivant sa composition, et une conductivité d'au moins 10-5 Q-l.cm~l. Avant d'envisager leur mélange avec une matrice polymère, il a donc été établi le diagramme de phase du mélange binaire imi~7ole/acide, celui-ci étant essentiel à la compréhension des résultats de conductivité, comme cela a été précisé
auparavant.

~ 2!94'127 II-2-2 Diagramme de phase du binaire imidazole/acide:

Le diagramme de phase des mélanges im~ 7olelacide permet de déterminer, pour une composition donnée, le domaine de température où le système se trouve en phase fondue, et la composition eutectique possédant le point de fusion le plus bas, celle-ci car~ct~risant la structurc la plus d serdonr.~ du m.~t~r~u. ,~ t,e ~ a ''~ f,r''.-"'.'~e,llc ;i balayage (Cf Annexe) est un outil de choix. Afin d'évaluer l'influence de la nature de l'acide sur les propriétés du binaire imidazole/acide, l'étude a porté sur le mélange d'imidazole avec respectivement, l'acide trifluoroacétique (CF3COOH), l'acide triflique (CF3SO3H), et la bis(trifluorom~th~nesulfonimide) (CF3SO2NHSO2CF3) communément symbolisé par HTFSI.

Préparation des écha~tr110ns de DSC: Pour éviter la manipulation répétée d'acide, les sels correspondants à chaque acide sont p,~p~s en ajoutant l~Pntpm~p~nt à une solution aqueuse d'imi~7ole une quantité sta~chiométrique d'une solution titrée de l'acide. Après avoir été agitée pendant une heure, la solution est évaporée sous vide, et le sel séché pendant plusieurs jours sous vide à
température ambiante, puis stocké en boîte à gants. Les échantillons pour l'analyse en DSC sont ensuite préparés en boîte à gants, par broyage dans un mortier en agate d'un des sels et de la quantité
d'imidazole n~6cP~ss~ire pour obtenir la composition souhaitée du binaire imidazole/acide, celle-ci étant exprimée par le rapport du nombre de moles d'imidazole par moles de sels (I/S). Le mélange obtenu est alors scellé dans des capsules ét:lnches en aluminium anodisé (capsule de marque Dupont) Pour chaque échantillon, deux passages successifs en DSC sont effectués, et ce pour une vitesse de balayage en température de 10~C/mn.

Dans un premier temps, la 12 0 figure 2.4 présente le dia- - imidazole/acide triflique-gramme de phase proposé avec 1 0 ot;~
l'acide triflique. Comme le ~ ~
montre celui-ci, le binaire ~ 80- .,4,/ ~
présente un palier eutectique , ~
pour une composition VS = 3 ~ /
(soit 48% en poids d~im~ 7ole dans le mélange imida- ~ , O c"
zolelacide) d'unpointdefusion 20 c~~~ 'n/
Te ~ 12~C. Il est important de O O O O ~/o O O O O O -remarquer qu'il s'agit là d'un 0 . I , I , I , I

diagramme de phase "dyna- % en poids d'i" '~-~le relabvement au sel mique". En effet, le point de FigurQ 2.4: Diagramme de phase du mélange i".:'~ ;.'e 'aclde trifllgue.
fusion de l'eutectique observé
dépend de la vitesse de chauffe, et passe de 12~C pour une vitesse de 10~C/mn, à 7~C pour une ~ 10 vitesse de 2~C/mn, cet écart de 90 température caractérisant la 80 imidazole/acide trifluoroacétique cinétique de fusion de la partie ~Q' cri.ct~llin~ du m~-~ri~ 70 _ Par comparaison, 1~ figure 2.5 _ 60 pri;~nL~ i~ diagramme de phase ~" 50 _ obtenu, en substituant l'acide E ~L~ ll p triflique par l'acide trifluoro- ~ 40 - \ 'n/
acétique, dans le binaire imida- 30 ~ ~ ~ O O
zole/acide. Suite aux résultats ~
obtenus avec l'acide triflique, on 20 l l l l l l l 40 50 60 70 80 so 1 oO
peut se contenter de l étude du % en poids d'i"~ iq~ele relativement au sel diagramme de phase pour une Figure 2.5: Diagramme de phase du mélange i". ' ~o.'~'CF3COOH.
composition comprise entre I/S = 1 et l'imi~7.ole pur, ce domaine restreint étant sllffl.c~nt pour détçrminer la composition et le point de fusion de l'eutecti-lue. Tout comme pour le binaire imi~7.ole/acide triflique, la composition eutectique correspond à une composition du binaire à VS = 3 et fond à une température Te ~ 34~C.
Le diagrarnme de phase est plus complexe avec le HTFSI, du fait de l'apparition de phénomènes thermiques supplçment~ires, le diagramme de phase partiel établi dans le cadre de cette étude est présenté sur la figure 2.6. Il ne - 100 I I I ~ I s'agit là que d'une ébauche de imidazole/HTFSI . o diagramme de phase, qui permet O O . cependant d'établir la zone de .o température pour laquelle le binaire est à l'état fondu.
_ 40 ~ Contrairement aux deux ç~çmples précédents, l'eutectique semble 20 - . - correspondre à une composition à
- ~..... ~. I/S = 4. Étant donné la o- ' O ~ - complexité apparente du diagr-- amme de phase imi~7olelHTFsI~
- 200 ' 2~0 ' 4~0 ' 6~0 ' 8~0 ' 1 00 il serait n~.cess~ire d~en effectuer % en poids d'imi~ 'e relativement au sel une étude plus dét~ e, mais ceci Figure 2.6: Didyldril~lle de phase du mélange ;" ~ JHTFSI. n~est pas le but principal du présent travail, les résultats partiels obtenus étant s~lffi.c~nt pour juger de l'influence de la nature de l'acide sur les propriétés physiques des m~lqnges imi~q7.ol~'acide.

L'ensemble des résultats concernant les - 60 températures de transition vitreuse obtenues, o HTFSi ~" - 65 - o CF3COOH
pour les trois acides étudiés, et ce pour .--, ~ CF SO H
différentes compositions, sont donnés sur la O ~ 70 ~ ~ 3 3 figure 2.7. Dans le cas de l'acide triQique et du a~ 75 _ ~~
HTFSI, la composition eutectique semble ~
correspondre a un minimum lu~;ll dc la _ - 80 ~ A
température de transition vitreuse, ceci est ~ 85 ~ 'f/ V \~
cohérent avec le fait que l'eutectique correspond ~ l l en général à la structure la plus désordonnée du 0 5 l/ S 16 mat~.rian Figure 2.7: Influence de la coi"~osilion des mélanges surleurteo,f~érdllJre de transition vitreuse.
Pour sa part, le tableau 2.4 résume l'ensemble des résultats pour les trois binaires étudiés, et indiquent ég~l~men~, à titre de comparaison, le point de fusion du m~ nEe stoechiométrique imi~la7Ole/acide (Tf sel).
Tableau 2.4: Principaies caracteristiques physiques des binaires i", ' ~ 'acide.Acide I/S eutectique T~eutectique Te Tf sel CF3COOH l/S=3 -72~C 34~C 136~C
CF3SO3H l/S=3 -76~C 1 2~C 1 03~C
(CF3SO2)2NH l/Sz4 -88~C z-10~C 65~C
De celui-ci, il est possible de conclure que la nature de l'acide joue un rôle çcsenti~l sur les propriétés physiques des mélanges imid~ole/acide. En particulier, sur la température de fusion de l'eutectique, qui diminuc d'environ 45~C en snbstih~ant l'acide triQique par le HTFSI, la température de fusion du sel stoechoimétrique diminuant quant à elle de 70~C. Par comparaison, la température de transition vitreuse est peu modifiée par la nature de l'acide (z 15~C), ceci semble indiquer que ce paramètre caractérise esser tiellement la molécule d'imidazole, pour les acides considérés. Il est probable qu'intervienne ici à la fois les interactions entre les molécules d'imidazole, sous la forme de liaisons hydrogène entre les atomes d'azote, et la structure cristalline de l'imidazole, la molécule présentant une géométrie plane ~ a~l, Ce point sera détaillé par la suite pour tenter d'expliquer les méc~nismes de con-1uctivités envisagés pour ces électrolytes.

Il serait il,t~.essallt de pouvoir corréler ces résultat avec la force respective des acides utilisés, à cette fin, le tableau 2.5 présenle les valeurs de pKa disponibles dans la littérature pour ces acides, ~es~ecd~,e.llent dans l'eau, et dans l'acide acétique pur. Ces dernières valeurs sont obtenues à pardr de la mesure du déc~laEe en RMN lH du signal du proton acide entre l'acide acétique pur, et une soludon de l'acide étudié dans l'acide acétique, dans l'hypothèse où il existe une corrélation entre le pKaet celui-ci.

219a127 Tableau 2.5 pKa des acides utilisés dans le binaire i...~ 1 'ac.i~e dans l'eau et dans l'acide 2~cétigue.
Acide pKa relatif référence pKa relatif référence à l'eau à l'acide acétique CF3COOH 0,2 [Streitwieser] 11,4 [Foropoulos]
CF3SO3H -14 [Bordwell6] 4,2 [Foropoulos]
(CF3SO2)2NH 1,7 [F~ ~ooulos] 7,8 ~Foroooulos~

Il apparâît que la force des acides dépend fortement du solvant, en particulier, on observe une inversion entre l'acide trifluoroacétique et le HTFSI, suivant que le pKa est déterminé en milieu protique aqueux ou non aqueux. En effet, en milieu aqueux la valeur du pKa du HTFSI est étonn~mmPnt élevée, et correspond à celle d'un acide moyennement fort. On suppose que cette acide dérivant d'une base molle déloc~licée, l'eau dispersant les charges anioniques via des liaisons hydrogène dures, au sens de Lewis, en est un mauvais solvant. Par contre, la mesure de l'acidité en phase g~7P,uce, c'est à dire sans qu'intervienne aucun phénomène de solvatation, montre que le HTFSI est l'un des acides les plus forts connu à ce jour [Koppel]. A ce stade, il ne sera pas poussé plus loin ce raisonnement, ce point particulier sera en effet étudié plus précisément par la suite (Cf II-3-1). Dans le cas présent, les binaires imidazole/acide étant des milieux protiques anhydres, il est plus pertinent d'utiliser l'échelle établie dans l'acide acétique, suivant celle-ci, le HTFSI est un acide d'une force comparable à l'acide sulfurique (pKa = 7 dans CH3COOH). A la vue de ces r~snl~ts, il semble difficile d'établir une corrélation directe entre les propriétés physiques du binaire imi~7ole/acide et la force de l'acide, mais une ten~nce, CF3SO3H et le HTFSI étant des acides plus fort que CF3COOH. On peut arguer pour expliquer les résultats obtenus avec le HTFSI, ~ ~ 50 que l'eYictPnce dans la molécule de liaisons ~" 55_ flexibles S-N-S [Armand2l, est favorable à une . ~/
diminution de la température de l'eutectique. o c - 65 --c~ ~
La substitntion de tout ou partie de l'imidazole a~ 70 ~/
par le 4-méthylimidazole (MeIm), devrait ~5 /
permettre d'évaluer l'influence de la base E - 75~ ~
hét~rocyclique, sur la température de transition - 8 0 l I I I
villeuse. Pour le mélange imidazole/CF3SO3H, ~ 2 0 4 0 6 0 8 o 1 0 o % en poids de 4-méU~yli,l,.~'~7O'e quelle que soit la composition (I/S = 2, 3, 4)~ Figure 2.8 Influence de la suhstituti~n de l'i".~ le cette température augmente avec la quantité de par le Melm pour le ~elange Im/CF3SO3H a US = 3.
MeIm, la figure 2.8 pr~sent~nt l'évolution pour la composition VS = 3. Ainsi, la tempélalule de tr~ncition vitreuse augmente de 23~C lorsque l'on substitue l'imidazole pour le MeIm. La force des deux bases étant sensiblement équivalente, l'~u~mPnt~tion de la température de tr~nsition vitreuse est probablement à relier à la structure de la molécule, la pr~sence du ~ ulx~ent méthyle en ~;",;~ le nombre de degrés de libertés.

21941~7 -II-2-3 Conductivité des électrolytes protoniques:

Les dirré~ mPl~ngP~c imi(l~7ole/acide présPnt~nt un eutP~ti-lue fondant à une le-~lp~ralule inf~riPllre ou proche à celle de l'ambiante, ces propriétés thermiques permettent d'envisager l'utilisation de tels mélanges pour la réalisation de systèmes électrochimiques fonctionn~nt a l~ temp~rature ambi~nte.
Cepen.l ~n~ d'un poirll de vue applique, ~le nombl~ux ~rav~ux re;liisej ces dix demieres ann~es onL
mis l'accent sur l'intérêt de coupler le développement de nouveaux matériaux pour l'électrochimie à la filière des technologies en films minces [F~ . Or, il est connu qu'il est possible de conférer des propriétés d'élastomères à un sel fondu en le mélangeant avec une faible proportion (~10% en poids) d'un polymère de haute masse [Angell]~ à condition qu'il existe des interactions entre celui-ci et le liquide. En effet, dans un polymère de haute masse, il existe de nombreux enchevêtrements entre les châînes qui permettp-nt d'obtenir un m:~t~ri~ll élastomère, et ce pour des faibles quantités ajoutées.
Ainsi, il est possible de conférer une tenue méc~nique aux matériaux décrits précédPmm~nt en leurs incorporant du POE de masse cinq millions (POE 5.106), et ce afin d'obtenir des électrolytes polymères solides (EPS).
L'étude de la conductivité des conducteurs protoniques s'est restreinte aux mélanges ~
d'imid~ole et de méthylimidazole avec l'acide --~N Q ~
triflique, et aux mélanges d'imidazole avec N~ ~NHCH3~?
respectivement le 5-phényl-lH-tétrazole. et 5-phenyl-1H-t~r le Acide~ luè~e~llfonique l'acide p-toluènesulfonique, acide possédant une molécule aromatique plate. La quantité de polymère respectivement au binaire est définie par le rapport O/H, exprimant le rapport du nombre de moles d'unités solvatantes de poly(oxyde d'éthylène) au nombre de moles de sels staechiométrique.

Préparation des éch~7~7ti~10ns: On prépare une solution dans l'acétonitrile anhydre du binaire à la composition désirée, et de la quantité de POE 5.106 n~cess~ire (celui-ci est placé auparavant quelques jours dans un dessiccateur sous vide à la température ambiante puis stocké en boîte à gants). Après homogén~ic~tion de la solution, celle-ci est coulée sur un feuillard en acier, le film obtenu est alors stocké pendant 48 heures avant utilisation, afin d'évaporer le solvant. On presse alors à chaud un de~ .me feuillard en acier, afin d'obtenir la cellule de conductivité, qui présente une surface de 3,9 cm2. Toutes ces manipl~l~tions sont effectuées sous argon en boîte à gants. Les trois éch~ntillons liquides sont préparés par broyage dans un mortier en agate. Une fois le mélange liquéfié, on en imprègne un s~pa,~leur en Celgard (e = 50~1m), et celui-ci est enfermé dans une pile bouton entre deux p~till~5 en acier. Tous les eçh~ntillon~ ainsi obtenus sont scellés dans des sachets et~nrhes afin de pouvoir çffectuer leurs manipulations à l'air. Le tableau 2.6 fait la synthèse de l'ensemble des éçh~ntillol-s p,ép~s, et précise leurs aspects physiques et visuels après une période de 48 heures de ,~h~ en bôîte à gants.

.

Tableau 2.6 Cor~ ition et aspect des différents echantillons ,~ltpales pour la conductivité.
BINAIRE I/S O/H%poids ASPECT ASPECT
- de POE VISUEL PHYSIQUE
11 très collant 2:1 2 20 3 27 tran~n~rent Imid~ole/ 2,5:1 18 triflate 3:1 2 17 collant d'imidazole 4:1 15 1:2 15 1:3 11 trouble 1:4 9 Imidazole/ 1 13 très collant triflatede 2:1 2 19 transparent collant méthylimidazole 3 26 collant Melm/Melm,tr 2:1 2 18 transparent collant 2:1 24 2,5:1 2 22 opaque peucollant Imidazole/ 3:1 20 phényllél,~ole 2:1 liquide liquide 2,5:1 pas de POE translucide peu 3:1 après mélange visqueux Imidazole/ 2:1 2 22 cristallin peu collant acide p-tol.sulfon. 3:1 19 un peu collant Mesures de condllctivité: Les mesures de conductivité ont été effectuées, par nos soins, à
l'Institut de recherche de l'Hydro-Québec (IREQ), sur un banc de mesures automatiques développé
en interne, par série de dix cellules à l'aide d'un impé-l~ncçm~tre Hewlett-Packard HP 4192A couplé
à un multiplexeur l0 voies Les cellules sont placées dans une étuve possédant un système de refroi(licsPmPn~ à l'azote liquide, et régulant à mieux que +/- 1~C Tous ces appareils sont pilotés par un micro-or~in~e--r HP 9000 Les mesures sont toujours prises à partir de 60~C par pas de 20~C, et t~rr~-l..~s après 4 heures de stabilisation de 60~C à 20~C, puis après 2 heures de 20~C à -40~C.

- 21~4127 -Dans un premier temps, la figure 1 o- 2~ 1 1 1 1 1 1 2.9 présente la conductivité 3_ ~ -obtenue à température décroi- ~--ssante, pour un électrolyte de E 10 4 ~3 composition I/S=2 en mélange ~E 10-5 imida70l~/~clde trifllqu~ pourd~s o 6 -u/~ r~p~ v~m~nL ~
(soit pour environ 10 à 30% en ~ 10-7 r ~ O~H=1 ~ ~ -poids de POE 5.106). La figure ~ -8- ~ O/H=2 2.10, quant à elle, permet de ~ o O/H=3 co--lpalel la condllctivité obtenue 10 à température croissante, relative- 10- 1 0 ment à celle en température 3 3,2 3,4 3,6 3,8 4 4,24,4 décroissante. Les électrolytes Figure 2 9: Influence de la quantité de )OEsurla conductlvit pour O/H = 2 et 3 ne présentent du mélange i". '~ - ~ '- 'ac"Je triflique pour une cGn"~os;tion a l/S = 2.
pas de phénomènes d'hystérésis, entre les mesures effectuées à température décroissante et croissante, la cinétique de recri.ct~llic~tion pour ces deux compositions est donc lente à l'échelle du temps des mesures (quelques heures), contrairement à la composition O/H = 1 qui est par ailleurs la moins conductrice. Même si les meilleures conductivités sont obtenues à
1 o-2~ l l O/H = 2 (20% en poids de POE), pour ces 10 3~ trois compositions les électrolytes peuvent o 10-4r ~ être utilisés pour des systèmes électro-E 10 5- ~ _ chimiques fonctionnant à la température ~ 10-6- ~ ambiante, les conductivités étant ~ 10 7 o particulièrement élevées, et d'environ g 10-3 Q-l.cm-l à 20~C, soit supérieure d'au 10-8- O O/H=l T down c moins un ordre de grandeur à cette ~ 10 9 - ~ O/H=1 T up - 1 0 ~ I I ~ température, aux électrolytes anhydres 10 3 3,2 3,4 3,6 3,8 4 4,2 4,4 étudiés jusqu'à présent.
1000/T(K) Fi9l.nuarl.ere2i1~~HJ~l~el~earc~Jé~trJiflel.queào~dsuct2vite~cplonugrée La composition à O/H=2 présentant la avec du POE 5.106 pour une composition a O/H= 1. meilleure conductivité, l'étude a porté par la suite sur l'influence de la composition du binaire pour cette composition en poly(oxyde d'éthylène), les résultats sont présentés sur la figure 2.11, pour des I/S = 2, 2,5, 3, et 4, et sur la figure 2.12, pour des I/S = 1/2, 1/3, 1/4. L'électrolyte de composition O/H = 2 et I/S = 2 présente encore la meilleure conductivité, sauf pour la composition I/S =2,5, et ce pour une temp~l~tulc de -20~C, pour laquelle on observe probablement un ph~nom~ne de retard à la cri~t~ tion de l'électrolyte. Il est intéressant de noter l'allure de la ., courbe pour la composition VS = 3, la conductivité est certes infériellre à celle pour la composition à
VS = 2 d'un facteur trois à une température de 60~C (10-3 vs. 3.10-3 Q-1.cm-l), mais la rejoint prog~essivelllent à basse température, cette composition correspondant à celle de l'eutectique du binaire imi~l~7Ole/acide triflique. En définitive, les électrolytes de composition VS < 1 pr~sçnt~nt une conductivité inférieure d'au moins un ordre de grandeur à l'électrolyte à VS = 2.
_ 10 , ~ 0 3~
E10 ~ ~O 8 E 10 a O
~E 10 4 - O O ~E 10 5 ; ~
s 10-5 ~ ~ ~ c 10-6 _ ~ O
1o 0 211 ~ - ~ 10~7 10 r O 3;5/1 0 ~ 10 ~ 1/3 o 10-8 ~ O O 10 1/4 ~.) 9 . I I I I lI O ~ - 1 0 10 3 3,2 3,4 3,6 3,8 4 4,2 4,4 10 3 3,2 3,4 3,6 3,8 4 4,2-4,4 1000/T(K) 1000/T(K) Figure 2.11: Influence de la composition du Figure 2.12: Influence de la composition du binaire i., '~--.'e 'Cf3SO3H contenant du POE binaire i" '~ o.'~'CF3SO3H contenant du POE
5.106à 0/H=2.surla conductivité pourl/S> 1 5.106à O~H=2.surla conductivitépourl/S< 1 Afin d'évaluer l'influence du POE sur les propriétés physiques du binaire imidazole/CF3SO3H, il est n~cess~ire d'établir le diagramme de phase partiel du binaire en sa présence. Au lieu d'établir celui-ci pour une composition en POE à O/H = 2, il est préférable d'étudier différentes compositions du binaire mélangé avec 20% en poids de POE, pour pouvoir le comparer au diagramme de phase établi précédemment sans POE. Pour éviter l'utilisation d'un solvant lors de la préparation des éch~ntillons, celle-ci n~cessit~nt un séchage soigneux, le POE 5.106 est substitué par du polyéthylène glycol de masse 3400 (PEG-3400), correspondant à la cinétique de crict~llic~tion la plus rapide et qui se mélange aicément au binaire dans un mortier en agate en boîte à gants. Les fonctions alcools à
l'extrémité des chaînes étant présentes en faibles quantités, et d'un pKa~ 15, l'on supposera qu'elles n'influent pas sur les propriétés physiques du m~t~ri~u Le diagramme de phase proposé est présenté sur la figure 2.13. La figure 2.14 et le tableau 2.7, quant à eux, perme~tçn~ de comparer le diagramme de phase et les propriétés physiques obtenus en l'abs~nce et en plés~llce de POE. Le poly(éthylène glycol) ne modifie pas la composition eutectique, obtenue pour VS = 3 dans les deux cas, par contre la tempé,~lure du palier eutectique ~u~mente légèrement de 5~C, et passe ainsi de 12 à 17~C. La composition eutectique correspond encore à un minima marqué de la temp~ c; de tr~n~ition vill~use à -57~C, soit une ~ mPn~tion de 19~C.
Tableau 2.7 Influence du POE sur les propriétés physiques du binaire i", ~-- Ic'acide triflique.
Électrolyte I/S eutectique Tv eutectique Te Tf sel Sans POE l/S=3 -76~C 12~C 103~C
20% en poids de POE l/S=3 -57~C 17~C 33~C
17 .

2 1 q4 1 27 -1 1 1 1 70 11 ~ I I
40 _ ~ _ 60 - 20% en poids de POE "e Sans POE , 2 0 - A~ _ 0 5 o -_ ~ 30-- ~
E-20 - E 20 -o~ ~,~
~ a ~ ~ ~ ~ 10 ~ --e--~-o-~n -60 1 1 1 o o 20 40 60 80 100 20 3040 50 60 70 80 % en poids ~ 'e relativement au sel % en poids ~ 70'Q
Figure 2.13: Dkyldlllllle de phase partiel du Figure 2.14: Cou~ ison du diagramme de binaire i" ~ ' - ~ '- 'd -,;le trfflique mélangé avec 20% phase du binaire i". ' ~ ,'acide trffligue seul, et du en poids de poly(éthylene gtycol) de masse 3400. diagramme de phase en prc:sence de PEG-3400.

Les résultats de la figure 2.15 perrnettent d'évaluer l'influence sur la conductivité de la substitution, de tout ou partie, de l'imi(1~7.ole par le 4-méthylimid~7.ole, dans le cas particulier de l'électrolyte de composition I/S = 2 et O/H = 2.
La conductivité des électrolytes 10-rliminue avec l'augmentation de 10-3~
la quantité de méthylimidazole. ~ ~3 Ceci est cohérent avec l'étude '~10-4 ~
précédente montrant l'accroisse- -- 1 0- 5 ~~ g ~ .
ment de la température de ~ a transition vitreuse des binaires ~" 10 o imid~7.ole/CF3SO3Hlorsquel'on ~ 10-7 ~ o Imidazole o ~
substitue l'imidazole par le ~ -8 ~ ~ Im/Melm (2/1) ~ -méthylimid~7.ole. La figure 2.16 ~ O Im/Melm (1/2) 0présentel'influencedelaquantité 10 9 ~ o Méthylimidazole o de POE sur laconductivité pour 10 10 ~
un électrolyte à I/S = 2 pour 1000/ T( K) 4,2 4 ,4 lequel un imid~7Ole sur trois est Figure 2.15 Influence du 4-méthylimidazole sur la conductivité
substihlé par un méthylimid:.7.ole du binaire i" ~F 'ac;Je triflique, en pr~sence de POE à O/H = 2.
(~n/MeIm (2/1)), et ce pour des O/H de 1, 2, et 3. La meiUeure conductivité à basse température est obtenue pour O/H = 1, les conductivités à partir de 20~C étant sensiblement équivalentes. La pr~sellce de méthylimi~l~7Ol~
modifie la quandté de POE pour laquelle on obtient l'optimum de conductivité, cependant pour cette optimum (O/H = 1), les conducdvités sont équivalentes à celles obtenues sans méthylimi~l~7.ol~., comme l'illustre la ffgure 2.17.

lB

21941~7 _ -2~ 1 1 1 1 1 1 _10 2 ~ 1 0 - 3 ~ ~ ' E 1 0 - 3 -- 10 4 - o E 10 4 ~ ~

~ 10- 6 o ~ ", 1 0 5 ~, ~- 1 0~7 r ~ O/H 2 o ~ 10 6 Ir~'e 0/H=2 10-8 r o 0/H=3 0 ~ o 10 7 ~ Melm(1/2)0/H=1 9 1 1 1 ~ - 8 3 3,2 3,4 3,6 3,8 4 4,2 4,4 10 3 3,2 3,4 3,6 3,8 4 4,2 4,4 1000/T(K) 1000/T(K) Fi~ure 2.16: Influence de la quantité de POEFigure 2.17: Comparaison de la conductivité des 5. 10b- sur la conductivité du i.,eldnge I m/Melm (2/lJmélanges Im/Cf3SO3H à l/S = 2 et O/H = 2 et et d'acide triflique pour une co"",osition à l/S=2.Im/Melm (1/2,1/CF3SO3Hà l/S=2 et O/H= 1.
La nature de l'acide jouant un rôle primordial sur les propriétés physiques des binaires imi(l~7ole/acide, il est intéressant d'étudier l'effet sur la conductivité de la substitution de l'acide triflique par l'acide p-tolu~nesulfonique et le phényltétrazole. Les résultats pour le phényltétrazole pour des VS de 2, 2,5, et 3 à O/H = 2 sont donnés sur la figure 2.18~ La meilleure conductivité est obtenue pour VS = 3, mais celle-ci est inférieure d'environ un ordre de grandeur à 20~C par rapport à
l'électrolyte de même compo- 10-2 ~ I I ~ I I
sition u~ilic~nt l'acide triflique~ ~ -La conductivité du mélange ~10 ~ ~
imidazole/phényltétrazole seul ' E 1 0 ~ 4 ~ ~
est présentée sur la figure 2.19. 5 _ Même si celle-ci est moindre, la ' E 1 o ~
comparaison avec celle obtenue ~ 10 0 en présence de POE donne des ' 10-7 ~ ~ -informations sur l'inflllence de ~ 8 - ~ 2:1 o la présence de POE sur la ~ 10 ~ 2,5/1 conductivité. On peut déjà 10-9 ~ o 3:1 o -observer une inversion dans -10 ~ I o ~ . 10 3 3,2 3,4 3,6 3,8 4 4,2 4,4 1 évolutlon de la conductlvlté en 1000/T(K) fonction de la composition du Figure 2.18: Influence sur la conductivité de la co",f~osilion du binaire qui prouve l'interaction ".el..nge in.. ~ J',~,hénJ~ltétrazole contenanl du POE 5.106 à OA~ =2.
entre le POE et le binaire imidazole/acide triflique. Le résultat le plus intéressant est présenté sur la figure 2.20, par la comparaison des résultats pour les optimums respectifs de conductivité en présence (O/H = 2) ou non de POE. n appal~l que l'addition de POE améliore nett~ment la co~.h~cl;vit~ (d'un à deux ordres de grandeurs suivant la température) du binaire imidazole/phényltétrazole pour les températures inf~..;~....~ à60~C.

2194~27 .

_ La conductivité du binaire im~ 7okolphényltétra7-ole sans POE allgm~nte brusquement au dessus de 40~C; or, le binaire de composition I/S = 2 présente un point de fusion à une temp~ u~ d'environ 50~C et le saut de conductivité est prob~blP.mPn~ à relier à sa fusion.

10-2 ~ ~10 10-3~ 2/1 ~ ~ 10 3~~ O O 2/1 SansPOE ~
~ ~ 2,5/1 -- " 1 ~~4 ~ C ~ O 3/1 O/H=2 E lo S r o ~ 0 311 ~E S O

10 9 - b- ~' 10 9 o -10 1 1 1 1 ~ -10 1 1 1 1 l l 3 3,2 3,4 3,6 3,8 4 10 3 3,2 3,4 3,6 3,8 4 4,2 4,4 1000/T(K) 1000/T(K) Figure 2.19: Influence sur la conductivité de la Figure 2.20: Influence de la présence de POE
co",f,osition du ",elange i" ~ 'phényltétrazole. sur la conductivité du mélange Im/phényltétrazole.

De la même façon, la figure 2.21 présente les résultats de conductivité avec le binaire imi~7el~acide p-toluènesl-lfonique pour des I/S de 2 et 3, mélangé avec du POE à O/H = 2. Comme pour le binaire imi~7ole/phényltétra_ole, la meilleure conductivité est obtenue pour la composition I/S = 3, de plus, celle-ci est sensiblement équivalente à celle obtenue avec le binaire imida_ole/phényltétrazole à la même composition, comme l'illustre la figure 2.21.
-2 ~ ~10 2 ~E 10 3~ ~ ' 'E 10 3~ Q O
_. 10-4 _ O ~ _ 10 O
E 10-5 r ~ ~ ' E 1 0 5 - ~ ~
10 6 _ o ~ ~ ~ 10 6 _ b :~ 10~7 - o Acidetriflique 10-8 _ O 2:1 ~ 10-8 - ~ Acide toluènesulfonique O 10-9 _ ~ 3:1 ~ ~ 10 - O phényltétrazole o 3 3,2 3,4 3,6 3,8 4 4,2 4,4 3 3,2 3,4 3,6 3,8 4 4,2 4,4 1000/T(K) 1000/T(K) Figure 2.21: Influence de b co"~os;tion duFigure 2.21: Comparaison de la conductivité pour ,~clange 1~ If/acide p-toluene sulfoniguel'acide triflique p-toluène sulfonique, et le avec du POE a O/H = 2, sur la conductivité.phényltétrazole a l/S = 3 avec du POE à OKH = ~

II-2-4 Mé~ ~e de conductivité du proton dans le sel fondu:

En introduction, signalons qu'iétant donné le point de fusion de l'eutectique du mélange imi~7ole/acide triflique à une température de 12~C, et la conductivité obtenue à 20~C de 10-3 Q-l.cm-l, lorsque ce mélange est dissous dans du poly(oxyde d'éthylène), ce binaire peut être considéré comme étant un sel fondu conducteur protonique. Avant de chercher à décrire le meC~nisme de conductivité supposé du proton dans ces électrolytes, il est tout d'abord n~cess~ de pl~ciser les propriétés et la nature de la molécule d'imidazole.

L'imi~7ole appartient à la f~mille des azoles qui englobent les cycles à caract~ères aromatiques à cinq atomes qui conl;p~ n~ deux azotes, un azote et un oxygène, ou un azote et un soufre. Sa structure électronique est particulière, car la paire d'électrons libres de l'atome d'azote de la liaison N-H est délocalisée et fait partie d'un système aromatique à 6 électrons 7~. Mais la paire libre de l'autre atome d'azote est disponible et peut accepter un proton. L'imid~7ole est donc une molécule amphotère présen~nt deux équilibres acido-basiques, comme l'illustre la figure 2.22, qui peut à la fois accepte~
un proton de pKa = 7, et en perdre un de pKa = 14 [Ca~nl.

H--N/~\N--H pK.--7 N~N--H pK.=14 N/~\N
Figure 2.22: Caractere amphotère de l'imidazole.
D'autre part, que ce soit sous forme protonée (l'imidazole est alors sous forme cationique) ou déprotonée (l'imidazole est alors sous forme anionique), la charge présente sur le cycle aromatique est délocalisée par résonance sur les deux azotes.

Le proton d'une molécule d'imidazole lié par une liaison covalente à unatome d'azote, peut engager une liaison hydrogène avec l'atome d'azote libre d'une molécule adjacente, comme l'illustre la figure 2.23. La ~ ~
présence de telles liaisons hydrogène expliquant le point d'ébullition Figure 2P23:TIiNaiHNon hydro élevé de l'imi~7ole (Teb = 263~C). La géométrie des ponts NHN ainsi gène entre deux i" ~~ s~s formés a été étudié par diffraction des rayons X, et diffraction de neutrons, ces dernières mesures étant les plus fiables [Ma~ars~]. Ainsi, dans le cas particulier de l'imidazole, les études par diffraction de neutrons montrent que la position du proton n'est pas symétrique aux deux atomes d'azote, la longueur de !a liaison N-H valant 1,038 ~ comparativement à
une longueur de 1,83 ~ pour la liaison hydrogène N---H (soit 2,86 ~ pour la liaison N---H-N). Les molécules d'imi~7ole s'enchâînent donc les unes aux autres via les liaisons hydrogène intermoléculaires. Dès lors, on peut considérer cet en~h~înem~nt comme un pseudo-polymère, basé
sur des li~iconc hydrogène.

21 ~41 27 ._ A l'instar de la slllf~mide ou de l'acide orthophosphorique, il est possible d'écrire un équilibre d'autoprotonation pour l'imid~7.ole, telle que l'illustre la figure 2.24, cependant, afin d'induire une cor ~uction protonique subst~ntiPllP, il est nPcess~ire de créer des défauts de charges dans le m~tP.ri~-2 N~N--H _ N/~\N + H--N/~\N--H
Figure 2.24: Équilibre d'autodi~sociation de l'i"._' 7ole.
Pour ce faire, les molécules d'imidazole sont dopées partiellement avec un acide, dans le butd'introduire un excès de protons. La figure 2.25 présente le méc~ni.cme de conductivité envisagé, dans le cas particulier du binaire imidazole/acide triflique, pour la composition eutPctique à VS = 3.

H--N/~\N H N~N H N~rJ H N~N--HTran~fert du proton le long l=\ I=\ /=\ I=\ ~Rotation des imidazoles et transfert H--N~N H N~N H N~N H N~VN--Hdu proton en bout de chame.

r~ r=\ /=\ ~ ~
H--N~N H N~N l; N~N ~ N~N--HRetour à l'état initial.
Figure 2.25: Mécanisme possible de conduction du proton dans les sels fondus d';ll..c' -~le.
Il est bien sur évident que ce méc~nicme est somme toute relativement simple et très schém~tique, cependant, il permet de mettre en évidence la n~cessité d'effectuer une rotation des molécules d'imidazole, pour permettre le déplacement du proton sur des distances importantes. Ce méc~nismP
de dépl:-cement est au final assez similaire au méc~nicme de Grotthus utilisé pour décrire le transport du proton en milieu aqueux. Puisque les protons se déplacent d'une molécule d'imidazole protonée, à
une molécule d'imidazole libre, on peut considérer ces électrolytes comme des conducteurs protoniques neutres, le pKa de déprotonation de l'imid~7ole étant de 7 en milieu aqueux.

D'une certaine façon, les conducteurs protoniques à base de mélange imidazole/acide, et à base de sulfamide, par exemple, peuvent être considérés comme une généralisation des électrolytes protoniques aqueux. En effet, on peut ég~lPment considéré une solution aqueuse d'électrolyte acide, comme un dopage par excès de proton d'un solvant amphotère, et une solution aqueuse d'un électrolyte basique, comme un dopage par création de lacunes de protons d'un solvant amphotère.

II-2-S Domaine de stabilité électrochimique:

Le domaine de stabilité de l'électrolyte imidazole/acide triflique à I/S = 3 avec du POE SM à
O/H = 2 est dé~~ é en ~ltili~nt une microélectrode de platine de 125 ,um, et une pseudo-électrode de référence, qui est conctituée par une feuille de nickel. En effet, ce métal conten~n~ une quantité
importante de gn)upelllents hydroxydes à sa surface, il joue le r81e d'une électrode de comparaison.
Ainsi, à partir de deux éch~ntillo~c du même électrolyte coulé sur une feuille de nickel, l'on effectue un balayage en oxydation, et un balayage en réduction, le domq-inP de stqhilité éleeh~cl,il~ique de cet électrolyte étant donné par l'écart entre les deux vagues de courants.

L'on ~étermine ainsi un domqine de stabilité électrochimique d'environ 1,6 Volts, qui est à priori compatible avec une application aux systèmes électrochromes par exemple, et proche des valeurs pour les autres électrolytes protoniques anhydres, telle que l'illustre les résllltqtc reg.~upés dans le tableau 2.8. Ce résultat confirme ainsi l'intérêt pour les sels fondus d'imi~lq.7ole en électrochimie.
Tableau 2.8 Domaine de stabilité éle.:truch " ~ le des éle~,t..,l~tes pruton, es anhvdres.
Electrolytes POE/H3Po4 Im/CF3SO3HUPOE POE/Sulfamide Aminosils Domaine 2a 1,6 1,7b l~2c d'après a: [Defendini], b: [De7P~Rermudez1], c: lRou-cse~u].

II-2-6 Conclusion sur les électrolytes protoniques:

Les électrolytes protoniques polymères anhydres constitués par le mélange d'un poly(oxyde d'éthylène) de haute masse, et d'un sel fondu protonique obtenu par dopage acide d'une base hétérocyclique, dans le cas présent l'imidazole, permettent d'améliorer nettement la conductivité en comparaison des électrolytes décrits jusqu'à présent, et ce telle que l'illustre la figure 2.26 ~' ~1 û-6 ~ 'CF3S03H US=2 O/H=2 _ O / ~p~ / El POE/H3PO4 O/H=2 ~10 7 ~ ( O BPEl/H3PO4 N/H=1,5 - ~ POE/Sulfamide O/S=4 N/H=5%
1 0'~ ' ' ~ ~ I , , , , I

Température (~C) Figure 2.26: Comparaison des résultats de conductivité pour les p,i"- ;~,aux éle -I,olytes présentés POE/H3PO4 d'après ~Defendinil BPEI/H3PO4 d'après [Ravetl POE/Sulfamide d'après [DeZeaBermudez~.
La con~uclivilé obtenue avec le m~lqnge imi~lq-7olelacide ll;rli(lue n'est probablement pas l'oplilllulll à
basse ~IIlp~lalul~, si l'on considère que l'on peut qbqisser la ~Illp~lalult; de fusion de son eutectique de 12 à # -11~C en substit lq-nt l'acide triflique par la bis(trifluorométhqnesulfonyl)imide.

De tels électrolytes permettraient donc de faire fonctionner des systèmes électrochimiques en films minceS, comme par exemple des vitrages électrochromes, avec des cinétiques rapides même à basse température, en ne tenant pas compte des cinétiques propres aux réactions électrochimiques se produisant à l'électrode, ce qui n'est pas dénué de sens au regard de la très faible épaisseur des électrodes l~tili~es dans ce cas. Par contre, la conductivité coll~crgeallt à - 2.10-3 Q~l.cm~l à 60~C
dans pratiquement tous les cas de figures, cette valeur est probablement une limite liée au transfert du proton d'une molécule d'imid~7ole protonée à une molécule d~imi~7olç neutre, mais ceci importe peu, puisqu'une conductivité de 10-5 Q~l.cm~l est snffis~nte la plupart du temps.

Ces électrolytes sont, à notre conn~ics~nce~ le premier exemple de la mise en évidence de la possibilité d'obtenir des électrolytes protoniques anhydres neutres; les précédçntc travaux référent en effet à des électrolytes acides ou basiques et de l'utilisation d'une base hétérocyclique comme l'imid~7O1e pour la synthèse de sels fondus protoniques à température ambiante.

De plus, même si cette étude s'est focalisée sur les sels fondus à base d'imid~7ole, des essais pr~limin~ires montrent que le sel stoechiométrique du triazole protoné par le HTFSI est liquide à
température ambiante, et ce même après une année de stockage en boîte à gants. L'on peut donc envisager d'obtenir des électrolytes polymères protoniques anhydres utilisant le triazole en su/as~itl1tion à l'imi~7ole, et ainsi d'obtenir des électrolytes relativement acides, le pKa du triazole pour l'équilibre de protonation étant ~ 3. Ceci est un atout pour leur application éventuelle aux systèmes électrochromes uti1ic:mt l'oxyde de t~-n~ctèn~ WO3 dont les films se dissolvent pour des p H > 5 De plus, il est aussi envisageable d'exploiter les nombreuses possibilités de la chimie organique et macromoléculaire pour greffer directement les groupements hétérocycliques et les fonctions acides sur la châîne macromoléculaire. Ainsi on peut envisager d'obtenir des électrolytes polymères protoniques anhydres autodopés ne contenant plus d'espèces volatiles, avec tous les avantages inhérents à une telle approche en terme de technologie de f~brir~tion.

Mentionnons ég~1rm~ nt l'intérêt potentiel de ces électrolytes pour la réalisation de sources d'énergie de fortes pnics~nr~es~ pour lesquelles la conductivité est un paramètre essentiel, et l'état solide un atout pour la f~brir~tion de ces systèmes par des technologies issues des procédés films minces.

Il est bien sur évident que ces matériaux présçntPnt ég~1~ment un grand intérêt fon~m~ntal, d'une part pour comprendre les m~c~nicmes de conduction du proton dans ces systèmes, et par le lien de fait qu'ils impliquent entre la chimie des processus biologiques, et plus particulièrement des protéines, et leurs études relativement au dom~ine de l'électrochimie des électrolytes protiques anhydres.

Bibliographie:

[Angell] PubO Nature [Armand1] Slngapour [Armand2] GFP
[Bertier~
[Bie~ gen] Biel~~gen, G. Electrochim. Acta 1992, 37, 1471-1478.
[Cob"ll,an] Chemistry of Solid State Materials 2, Proton Conductors, (P. Ca!a.,~an, Ed.), Can,l,ridge University Press, Cambridge,1992.
[Charbouillot] Thèse de l'Université de y,erLb'?, INPG,1988.
[Dt:fen ' ,i] Defendini, F. Thèse de rUniversité de Grenoble, INPG, 1987.
[De Zea Bermudez1] De Zea Bermudez, V. Thèse de l'Université de Grenoble,1992.
[De Zea Bermudez2] De Zea Bermudez, V.; Sanchez, J. Y. Solid State lonics 1993, 61, 203-212.
[Dippel] Dippel, T. Solid State lonics 1993, 61, 41-46.
[Hadzi] Hadzi, D. J. Mol. Struct 1988, 177,1.
[Kreuerl Kreuer, K. D. J. Mol. Struct. 1988, 177, 265.
[LasseguesJI ~ssègues, J. C. in Cr,!c ~Iban [Malarski] Al~ ki, Z.; Sobczyk, L. J. Mol. Struct. 1988, 177, 339.
[Po,;,s,~"on] P~i.,siyllon~ C. Publi ILL
[Ravet] Ravet, N. Thèse de l'Université de Grenoble, INPG,1994.
Ripochel Ripoche, X. ECS El~h~h,-", ~ Materials ll [Rousseau] Rousseall F. Thèse de l'Université de Grenoble, INPG, 1990.
[St,~it~ias_,] Sb.iit-.ieser, Jr.; A.;
[Trinquet] Trinquet, O. Thèse de l'Université de Bordeaux, 1990.

2! 941 27 _ II-3 LES CONDU~l~;UKS ALCALINS:

II-3-1 ~troduction:

Dans le cadre du développement des batteries à hautes det sitéc d'énergie, les électrolytes protoniques possédant un domaine de stabilité électrochimique limité (~1,5 Volts), les elccLIochimictes se so ni ;ournes vers l'uiilisaiioil de SU;V3~ orgLLIli4ues r~a ~ 3r~1, et ~lu~ r~ t;n polymèreslArmand~l, aprotiques, qui possèdent un domaine de stabilité élargi pouvant dépasser
3.10-5 Ql.cm-l at 25Oc [Rousseaul Unlike electrolytes based on POE / H3PO4 mixtures for which the proton activity is fixed by the force of the acid used, the proton moving by jumping from an ammonium cation to an amine in aminosils (just like liquid ammonia), the activity of the proton is determined by the force of the base serving as a relay for the protons. These electrolytes are therefore proton conductors basics of pKa ~ 11. Aminosils belong to the family of electrolytes obtained by doping by excess of protons of a basic polymer matrix.

More recently, other basic proton conductors have been studied in LIES-G [D ~ Z ~ J ~ 2]. The simplest of them is obtained by dissolving sulfonamide in a POE matrix, the sulfonamides being, in general, weakly acidic molecules of pKa = 10.4 in the water [GalwaYl. Sulfonamide is dissolved in POE via intermolecular hydrogen bonds between the oxygen atoms of the polymer, and the hydrogen atoms of the amino groups of the sulfonamide molecule. The ethers of POE are less basic than groupings sulfonamide amines, they are less likely to tear a proton from sulf ~ mide than the sl-lf ~ mide to itself. The hydrogen bonds interslllf ~ mi-the predominant in these electrolytes, it follows that the sl ~ lf ~ mides plésen ~ e a balance of autoproton ~ tion in the following POE:
2 H2NSO2NH2 ~ H2NSO2NH- + H2NSO2NH3 +
As for the POE / H3PO4 mixtures, it can be assumed that the solvation of the species cati - ni-read inside the POE propellers favor the displ ~ cment of the balance of autoprotonation to the right. The transfer of the proton is ensured in these electrolytes by the simultaneous presence of proton vacancies (molecules of s ~ llf ~ deprotonated mides) and protons (molecules of slllf ~ mides protonates) following a m ~ c: ~ ni.cme of Grotthus.

21, 941 27 The phase diagram of the POE / sulfonamide binary presents four eutectic steps for ratios of the number of solvating units from POE to s ~ llf ~ mide (O / S) of 2, 4, 9 and 30 respectively.
La ~ l --- t; of the eutectic level dimim ~ e when the concentration of sl-lf ~ mi ~ e auU ~ n ~ nte ~ the point of eutectic fusion for a composition with O / S = 2 being 25 ~ C. Because of the crist ~ linlinity of POE, the conductivities obtained at ambient are poor, of the order of 10-8-10-9 Ql.cm-l.
However, as he scra pr ~ cis ~ thereafter, with non-crystalline comb polymers unc horn, ductivity m ~ xim ~ le of about 10-5 Ql.cm-l is obtained with av ~ '' pc.i. la ~ e ~ ll.pûsLLicrl CIS =,.

The concentration O / S = 2 corresponds, as for orthophosphoric acid, to a molecule of snlf ~ mide for two solvating units of the polymer. This militates for a structure of eutectics at O / S = 2 identical to that obtained with H3PO4, with a molecule of sulfonamide protonated by helix of POE, associated with a deprotonated sulf ~ mide molecule outside of it. By ~ llelement ~ it is interesting to mention the synthesis of copolymers (PSJ600), integrating the function slllf ~ mide in their sllu ~; lures ~ by polycondensation of sulf ~ mide with POE segments di ~ min ~ s mass 600 (Jerr ~ e ~ 600-ED) depending on the reaction:

H2N ~ H2 - CH2 - O ~ NH2 + H2NSO2NH2 3 / NH ~ ~: H2 - CH2 - O ~ H - SO2 ~ H--The electrolytes based on POE / sulfarnide mixtures are the counterpart of the POE / H3PO4 electrolytes, thus, by the same principle of dissolution / solvation of an amphoteric molecule in a matrix weakly basic polymer, it is possible to lead to proton conductors for which the proton activity varies from a pKa ~ 2 for the POE / H3PO4 electrolytes to a pKa ~ 10 for the POE / sulfonamide electrolytes.

The conductivity of these electrolytes can be significantly improved by doping with a base more stronger than sulfonamide, such as gu: lnidine, playing the role of deprotonating agent. Doping allows the controlled creation of proton vacancies in the electrolyte, and the increase in the number of carriers of charges. The ion transport is then provided only by the proton vacancies. The conductivity has a maximum, depending on the doping rate, for a given concentration of sulfonamide given. Thus, the best conductivities obtained are between 10-4 and 10-5 Ql.cm-l for a temperature of 20 ~ C, i.e. a ~ lgm ~ nt ~ ion of conductivity which can reach five orders of gr ~ nde ~ lrs per Mpport to an undoped electrolyte at this temperature. These electrolytes are basic proton conductors obtained by the creation of proton vacancies.

As mentioned above ~ demm ~ nt, in order to overcome the problems related to the crict ~ llinit ~ of POE, other solvating networks were envisaged, including in the first place, comb polymers containing ~ nt a skeleton of meth ~ crylate with latéMles oligooxyethylene chains, and the formula of which is indicated below. The study focused on two polymers containing eight respectively (PMPEGM 400 Dalton) and twenty-two units (PMPEGM 1000 Dalton) of ethylene oxide on the side chain.

-The PMPEGM 1000 being semi ~ ict ~ llin, the conductivity studies were ~ ffectllé ~ s Essentially with the PMPEGM 400, it does not have any trace of tCH - c ~ -cri ~ t ~ llinité, for electrolytes of O / S compositions of 2, 4, and 30, doped with c - o gu ~ nirline for N / H concentrations of 0, 1, 5, 10, and 20% respectively (the o ratio N / H exrrim ~ nt the ratio in moles of the gu ~ ni ~ ine to the set of protons cH2 sulfonamide). For the three sulf ~ mide envic ~ ages ~ optimum cH2 concentrations dc CCI .. ùC.iiit ~, cs. obtained for a 5% N / H dopag ux, by conh-e with ~ in ~ m higher doping, the conductivity is CH3 - - - PMPEGM
lower than that without doping agent. The optimum 2 - - ~ - 2 - of conductivity results from a competition between the increase ~ tion of number of charge carriers via guanidine doping, and the concomitant increase in the transition temperature glassy polymer. Maximum conductivity of \ NH \ Ne N \, 2.10-5 S2-l.cm-l is obtained at 20 ~ C for the electrolyte of 2 <~ NH composition O / S = 2 doped with N / H = 5%. On the other hand, chemistry RR of sol-gel processes has helped develop networks (1-x) (x) (x) ~ (y) org ~ nosiliriés integrating in their structures the methyl function R = CH3 or ~> or benzenesulfonamidosil (respectively symbolized here by POE ~ MSAS and BSAS), the deprotonating base, and a chain of POE
playing the role of agent pl ~ ctifi: lnt, these materials have been called ~ sulfonamidosils (see figure opposite). The deprotonating agent SULFONAMIDOSILS chosen here is an alkoxysilane-alkylimidazoline of pKa ~ 13.
After optimization of the respective report of the different components, a conductivity of 7.10-8 Ql.cm-l is obtained at 25 ~ C, for an electrolyte integrating a chain of POE of mass 2000, and of composition x = 15% (in moles) in be ~ 7 ~ anesulfon: lmidosil and y = 30% (molar ratio relating to all of the siloxanes). Dissolving free sulfonamide in a grafted imidazoline and POE chain copolymer, part of the family of ormolytes (short for organically modified silicate electrolytes), has improved conductivities, thus, one obtains a conductivity of 10-6 Ql.cm-l at 20 ~ C with a chain of POE
mass 2000 for an electrolyte with O / S = 2 doped with imid ~ 7Oline grafted with N / H = 10%.

There is therefore a wide variety of proton conductors present ~ nt a conductivity of about 10-5 Ql.cm-l at ~ mp ~, dture ~ mbi ~ n ~, this being recognized as the minimum required for re ~ tion of electrochemical systems in thin film technology ~ The proton activity in these electrolytes can vary over a wide range of pKa ~ typically between 2 and 12. The cl ~ ccification of the electrolytes according to the activity of the proton makes it possible to define the dom ~ in ~ s of app ~ atiQn ~
possible for these m ~ téri ~ llx. Thus, the hydroxides present ~ nt ~ nt a dom ~ ine of stability in a pH window ranging from 4 to 12 associated, for example, with aminosils or mixtures POE / slllf ~ doped mide allow to consider the re ~ tion of proton batteries in thin films.

2 I q4t 27 The POEIH3PO4 proton conductors, for their part, have found an application within the framework of the development of electrochromic glazing for which the nature of the electrodes makes it more interesting the utility ~ tion of "acid" electrolytes [Ripoche]. However, rather than classifying electrolytes according to the activity of the proton, it seems more judicious to compare these following the nature of the doping allowing initiation of the proton conductivity in the solvating matrix considered. It is air ~ if possible to define three families of proton conductors ~ es, s. ~ It clc ~ ..ulj- ~ s ob ~ nus p; u:

~ dissolution / solvation of an amphoteric molecule in a solvating matrix ~ doping by excess of protons (doping "p") ~ doping by proton vacancies (doping "n") A parallel can be drawn between doping with holes or excess protons of the electrolytes with the n or p doping used to initiate electronic conductivity in the ~ semiconductors. Indeed, in both cases, the material acquires electrical conduction properties (respectively ionic or electronic) by creating an excess or a defect of charges (respectively of protons or electrons). Cepensl ~ nt the proton con ~ ctors can not be described simply, as semiconductors, by an energy band diagram.

Tables 2.1 to 2.3 thus summarize the different conductivities obtained at 20 ~ C, respectively for the family of protonic electrolytes obtained by dissolution / solvation of a molecule amphoteric, by doping by excess of protons, and finally by doping by vacancies of protons. He was added results for electrolytes using polyethylene imine (PEI) [RaVe ~ l, this polymer being the subject of numerous studies and being NNH
poter til ~ llement a candidate for the industrial development of windows POLYETHYLENE IMINE
electrochromic. PEI can be doped with acid over a wide range of concentration, typically from 0 to 2 molecules of acid per amine (defined by the mol ~ ire HIN ratio of acid by arnine function), one thus passes from an electrolyte for which the proton is transferred by jump of a cation ~ mmonium to an amine, to a mec ~ ni ~ me of transfer via the acid molecules ['aSce ~ 51.
Thus, for the electrolytes obtained by doping PEI with H3PO4, the activity of the proton depends on the acid concentration and goes from pKa ~ 11 to pKa ~ 2 [Tnnquetl.

Table 2.1 l ~ le ~, lrulytes obtained by ~ i ~ ssl ~ lisl- / solvation of a .I. ~ Lé ~ 'e amphotère.
Polymer dopant Composition Conductivity pKa amphoteric solvating agent (O / dopant) (S2-l.cm-l) relating to water H3PO4 POE O / P = 2 2.105 ~ 2 H2NSO2NH2 POE O / S = 2 8.10-1 ~ ~ 10 H2NSO2NH2 PMPEGM400 OIS = 2 z 10-5 ~ 1 0 Autodoped PSJ600 O / S ~ 14 3.10 ~ ~ 12 21 q41 27 Table 22 ~ IE ~ tr. ~ Tes obtained by doping by excess of protons.
Dopant Matrix Composition Conductivity pKa polymeric acid (Ql.cm-l) relative to water CF3SO3H Arninosils H / N = 7.5% 2.10 ~
H3PO4 PEI H / N = 1.5 2.10 ~ ~ 2 Table 2.3 Basic electrolytes obtained by doping by proton vacancies.
Base Base Matrix Composition Conductivity deprotonating polymer (Ql.cm-l) Sulfonamide Guanidine POE N / H = 0.1 O / S = 2 z 10-4 Sulfonamide Guanidine PMPEGM400N / H = 5% O / S = 2 2.10-5 BSAS Imidazoline Sulfonamidosilsx = 15% y = 30% 5.10-8 Ormolytes grafted sulfonamide O / S = 2 N / H = 0.1 10-6 Living chemistry offers many examples of the richness of the different possible mechanics.
of proton transfer, the latter playing a large role in biology, proton transfers being involved in practically all biological processes [HadZi]. Indeed, the properties functional proteins depend on their spatial organization, and therefore on the state loading amino acids components. The transfer of the proton between the Cil2 - CH - COOH
basic and acidic sites of proteins, as well as between these and the medium F ~ NH2 aqueous, therefore influences their functionality by modifying their N ~ NH
conformations. Among all amino acids, histidine plays a role HISTIDINE
important in the proton transfer processes due to the presence of the gro ~ -pem.ont imidazole, protonating at pH ~ 7, in particular as a proton transfer mediator in many enzymatic reactions. This last molecule gives strong bonds hydrogen, with forces at least comparable to those of water.

Also, has it been considered the specific study of imid ~ 7ole for the synthesis of conductors protonics. Preliminary tests ~ ires showing that the mixture of imid ~ ole and triflic acid presetlt ~ it has a melting point which may be near ambient temperature depending on its composition, and a conductivity of at least 10-5 Ql.cm ~ l. Before considering mixing them with a polymer matrix, it was therefore established the phase diagram of the binary mixture imi ~ 7ole / acid, this being essential for the understanding of the conductivity results, as has been specified before.

~ 2! 94'127 II-2-2 Phase diagram of the imidazole / acid binary:

The phase diagram of the im ~ 7olelacid mixtures makes it possible to determine, for a composition given, the temperature range where the system is in the molten phase, and the composition eutectic with the lowest melting point, this one because ~ ct ~ risking the most structural d serdonr. ~ du m. ~ t ~ r ~ u. , ~ t, e ~ a '' ~ f, r '' .- "'.' ~ e, llc; i scanning (Cf Annex) is a tool of choice. To assess the influence of the nature of the acid on the properties of the binary imidazole / acid, the study focused on the mixture of imidazole with respectively, the acid trifluoroacetic (CF3COOH), triflic acid (CF3SO3H), and bis (trifluorom ~ th ~ nesulfonimide) (CF3SO2NHSO2CF3) commonly symbolized by HTFSI.

Preparation of DSC samples ~ To avoid repeated handling of acid, salts corresponding to each acid are p, ~ p ~ s by adding l ~ Pntpm ~ p ~ nt to an aqueous solution of imi ~ 7ole a sta ~ chiometric quantity of a titrated acid solution. After being agitated for one hour, the solution is evaporated under vacuum, and the salt dried for several days under vacuum at room temperature, then stored in a glove box. The samples for DSC analysis are then prepared in a glove box, by grinding in an agate mortar one of the salts and the quantity imidazole n ~ 6cP ~ ss ~ ire to obtain the desired composition of the imidazole / acid binary, the latter being expressed as the ratio of the number of moles of imidazole per mole of salts (I / S). The mixture obtained is then sealed in et capsules: anodized aluminum sheets (Dupont brand capsule) For each sample, two successive passages in DSC are carried out, and this for a speed of scanning temperature of 10 ~ C / min.

First, the 12 0 Figure 2.4 shows the dia- - imidazole / triflic acid-gram of phase proposed with 1 0 ot; ~
triflic acid. Like the ~ ~
shows this one, the binary ~ 80-., 4, / ~
has a eutectic level, ~
for a composition VS = 3 ~ /
(i.e. 48% by weight of im ~ 7ole in the mixture imida- ~, O c "
zolelacide) d'unpoint defusion 20 c ~~~ 'n /
Te ~ 12 ~ C. It is important to OOOO ~ / o OOOOO -note that this is a 0. I, I, I, I

phase diagram "dyna-% by weight of i"'~ - ~ relabvement with salt mique ". Indeed, the point of FigurQ 2.4: Phase diagram of the mixture i".: '~;.' e 'aclde trifllgue.
fusion of the eutectic observed depends on the heating speed, and goes from 12 ~ C for a speed of 10 ~ C / min, to 7 ~ C for a ~ 10 speed of 2 ~ C / min, this difference of 90 temperature characterizing the 80 imidazole / trifluoroacetic acid kinetics of fusion of the part ~ Q ' cri.ct ~ llin ~ du m ~ - ~ ri ~ 70 _ By comparison, 1 ~ figure 2.5 _ 60 pri; ~ nL ~ i ~ phase diagram ~ "50 _ obtained by substituting the acid E ~ L ~ ll p triflic with trifluoro- acid ~ 40 - \ 'n /
acetic, in the binary imida- 30 ~ ~ ~ OO
zole / acid. Following the results ~
obtained with triflic acid, one 20 lllllll 40 50 60 70 80 n / a 1 oO
can be satisfied with the study of the% by weight of i "~ iq ~ ele relative to salt phase diagram for a Figure 2.5: Phase diagram of the mixture i ". '~ o.' ~ 'CF3COOH.
composition between I / S = 1 and the imi ~ 7.ole pure, this restricted domain being sllffl.c ~ nt to determine the composition and the melting point of the eutecti-read. As with the binary imi ~ 7.ole / triflic acid, the composition eutectic corresponds to a binary composition at VS = 3 and melts at a temperature Te ~ 34 ~ C.
The phase diagram is more complex with HTFSI, due to the appearance of phenomena thermal supplements ~ ires, the partial phase diagram established within the framework of this study is shown in Figure 2.6. He ... not - 100 III ~ This is only a draft of imidazole / HTFSI. o phase diagram, which allows OO. however to establish the area of .o temperature for which the binary is in the molten state.
_ 40 ~ Unlike the two ç ~ çmples precedents, eutectics seems 20 -. - correspond to a composition - ~ ..... ~. I / S = 4. Given the o- 'O ~ - apparent complexity of the diagr-- phase ami imi ~ 7olelHTFsI ~
- 200 '2 ~ 0' 4 ~ 0 '6 ~ 0' 8 ~ 0 '1 00 it would be necessary to make some % by weight of imi ~ 'e relative to salt a more detailed study, but this Figure 2.6: Didyldril ~ lle phase mixing; "~ JHTFSI. Is not the main goal of present work, the results partial obtained being s ~ lffi.c ~ nt to judge the influence of the nature of the acid on the properties physics of m ~ lqnges imi ~ q7.ol ~ 'acid.

All the results concerning the - 60 glass transition temperatures obtained, o HTFSi ~ "- 65 - o CF3COOH
for the three acids studied, and this for .--, ~ CF SO H
different compositions, are given on the O ~ 70 ~ ~ 3 3 figure 2.7. In the case of triQic acid and a ~ 75 _ ~~
HTFSI, the eutectic composition seems ~
correspond to a minimum read ~; ll dc la _ - 80 ~ A
glass transition temperature, this is ~ 85 ~ 'f / V
consistent with the fact that the eutectic corresponds ~ ll generally at the most disordered structure of 0 5 l / S 16 mat ~ .rian Figure 2.7: Influence of coi "~ osilion of surleurteo mixtures, f ~ érdllJre glass transition.
For its part, Table 2.4 summarizes the whole results for the three binaries studied, and indicate eg ~ l ~ men ~, for comparison, the point of fusion of the stoichiometric m ~ nEe imi ~ la7Ole / acid (Tf salt).
Table 2.4: Main physical characteristics of the binaries i ", '~' acid. Acid I / S eutectic T ~ eutectic Te Tf sel CF3COOH l / S = 3 -72 ~ C 34 ~ C 136 ~ C
CF3SO3H l / S = 3 -76 ~ C 1 2 ~ C 1 03 ~ C
(CF3SO2) 2NH l / Sz4 -88 ~ C z-10 ~ C 65 ~ C
From it, it is possible to conclude that the nature of the acid plays a role çcsenti ~ l on the properties physics of imid ~ ole / acid mixtures. In particular, on the eutectic melting temperature, which decreases by about 45 ~ C by snbstih ~ ant triQic acid by HTFSI, the melting temperature of stoechoimetric salt decreasing by 70 ~ C. By comparison, the transition temperature vitreous is little modified by the nature of the acid (z 15 ~ C), this seems to indicate that this parameter essentially characterizes the imidazole molecule, for the acids considered. It is probable that here intervenes both the interactions between the imidazole molecules, in the form of bonds hydrogen between the nitrogen atoms, and the crystal structure of imidazole, the molecule presenting a plane geometry ~ a ~ l, This point will be detailed later to try to explain the mechanisms of con-1uctivities envisaged for these electrolytes.

It would be, t ~ .essallt to be able to correlate these results with the respective strength of the acids used, to this Finally, Table 2.5 presents the pKa values available in the literature for these acids, ~ es ~ ecd ~, e.llent in water, and in pure acetic acid. These latter values are obtained from pardr of the measurement of dec ~ laEe in 1 H NMR of the acid proton signal between pure acetic acid, and a acid soludon studied in acetic acid, assuming there is a correlation between the pKaet this one.

219a127 Table 2.5 pKa of the acids used in the binary i ... ~ 1 'ac.i ~ e in water and in acid 2 ~ ketigue.
Acid pKa relative reference pKa relative reference with acetic acid water CF3COOH 0.2 [Streitwieser] 11.4 [Foropoulos]
CF3SO3H -14 [Bordwell6] 4.2 [Foropoulos]
(CF3SO2) 2NH 1.7 [F ~ ~ ooulos] 7.8 ~ Foroooulos ~

It appears that the strength of the acids strongly depends on the solvent, in particular, a inversion between trifluoroacetic acid and HTFSI, depending on whether the pKa is determined in the medium aqueous or non-aqueous protic. Indeed, in an aqueous medium the value of pKa of HTFSI is astonishing ~ mmPnt high, and corresponds to that of a moderately strong acid. We assume that this acid deriving from a soft delocated base, the water dispersing the anionic charges via bonds hard hydrogen, in the Lewis sense, is a bad solvent for it. However, the measurement of acidity in phase g ~ 7P, uce, that is to say without any solvation phenomenon occurring, shows that the HTFSI is one of the strongest acids known to date [Koppel]. At this point, it will not be pushed anymore far this reasoning, this particular point will indeed be studied more precisely later (Cf II-3-1). In the present case, the imidazole / acid binaries being anhydrous protic media, it is more relevant to use the scale established in acetic acid, according to this, the HTFSI is a acid with a strength comparable to sulfuric acid (pKa = 7 in CH3COOH). At the sight of these r ~ snl ~ ts, it seems difficult to establish a direct correlation between the physical properties of binary imi ~ 7ole / acid and the strength of the acid, but a ten ~ nce, CF3SO3H and HTFSI being more acids stronger than CF3COOH. We can argue for explain the results obtained with HTFSI, ~ ~ 50 that the eYictPnce in the molecule of connections ~ "55_ flexible SNS [Armand2l, is favorable to a. ~ /
decrease in eutectic temperature. o c - 65 -c ~ ~
The substitution of all or part of the imidazole for ~ 70 ~ /
by 4-methylimidazole (MeIm), should be ~ 5 /
allow to assess the influence of the base E - 75 ~ ~
heterocyclic, on the transition temperature - 8 0 l III
villous. For the imidazole / CF3SO3H mixture, ~ 2 0 4 0 6 0 8 o 1 0 o % by weight of 4-méU ~ yli, l ,. ~ '~ 7O'e whatever the composition (I / S = 2, 3, 4) ~ Figure 2.8 Influence of the suhstituti ~ n of the i ". ~ le this temperature increases with the quantity of Melm for the ~ mixture Im / CF3SO3H at US = 3.
MeIm, figure 2.8 presents the evolution for the composition VS = 3. Thus, the glass transition temperature increases by 23 ~ C when substitutes imidazole for MeIm. The strength of the two bases being substantially equivalent, ~ u ~ mPnt ~ tion of the glass transition temperature is probably related to the structure of the molecule, the presence of ~ ulx ~ ent methyl in ~; ",; ~ the number of degrees of freedom.

21941 ~ 7 -II-2-3 Conductivity of protonic electrolytes:

The dirré ~ mPl ~ ngP ~ c imi (l ~ 7ole / acid present ~ nt a eutP ~ ti-lue melting at a le- ~ lp ~ ralule inf ~ riPllre or close to that of ambient, these thermal properties make it possible to envisage the use of such mixtures for the realization of electrochemical systems function ~ nt al ~ temp ~ rature ambient ~ nte.
Cepen.l ~ n ~ of a poirll of applied sight, ~ the nombl ~ ux ~ rav ~ ux re; liisej these ten last years ~ onL
emphasized the interest of coupling the development of new materials for electrochemistry with technology sector in thin films [F ~. However, it is known that it is possible to confer properties of elastomers to a molten salt by mixing it with a small proportion (~ 10% in weight) of a high mass polymer [Angell] ~ provided that there are interactions between it and the liquid. In fact, in a high mass polymer, there are many tangles between the chains which allow to obtain a m: ~ t ~ ri ~ ll elastomer, and this for small amounts added.
Thus, it is possible to impart a mechanical outfit to the materials described above.
incorporating POE with a mass of five million (POE 5.106), in order to obtain electrolytes solid polymers (EPS).
Study of conductivity of conductors protonics is limited to mixtures ~
imid ~ ole and methylimidazole with acid - ~ NQ ~
triflic, and mixtures of imidazole with N ~ ~ NHCH3 ~?
5-phenyl-1H-tetrazole respectively. and 5-phenyl-1H-t ~ r Acid ~ luè ~ e ~ llfonique p-toluenesulfonic acid, an acid with a flat aromatic molecule. The quantity of polymer respectively in binary is defined by the O / H ratio, expressing the ratio of the number of moles of poly (oxide) solvating units ethylene) to the number of moles of staichiometric salt.

Preparation of samples ~ 7 ~ 7ti ~ 10ns: A solution is prepared in anhydrous acetonitrile from binary to desired composition, and the amount of POE 5.106 n ~ cess ~ ire (this is placed before a few days in a vacuum desiccator at room temperature then stored in a glove box). After homogeneous ~ ic ~ tion of the solution, it is poured onto a steel strip, the film obtained is then stored for 48 hours before use, in order to evaporate the solvent. We then hot press a of ~ .me steel strip, in order to obtain the conductivity cell, which has a surface of 3.9 cm2. All these manipl ~ l ~ tions are carried out under argon in a glove box. The three samples liquids are prepared by grinding in an agate mortar. Once the mixture is liquefied, permeates a s ~ pa, ~ their in Celgard (e = 50 ~ 1m), and it is enclosed in a button cell between two steel p ~ till ~ 5. All eçh ~ ntillon ~ thus obtained are sealed in sachets and ~ nrhes so to be able to carry out their manipulations in the air. Table 2.6 summarizes all of the éçh ~ ntillol-s p, ép ~ s, and specifies their physical and visual aspects after a period of 48 hours of , ~ h ~ in a glove box.

.

Table 2.6 Cor ~ ition and appearance of the different samples, ~ ltpales for conductivity.
BINARY I / SO / H% weight ASPECT ASPECT
- PHYSICAL VISUAL POE
11 very sticky 2: 1 2 20 3 27 tran ~ n ~ rent Imid ~ ole / 2.5: 1 18 triflate 3: 1 2 17 sticky imidazole 4: 1 15 1: 2 15 1: 3 11 trouble 1: 4 9 Imidazole / 1 13 very sticky triflatede 2: 1 2 19 transparent sticky methylimidazole 3 26 sticky Melm / Melm, tr 2: 1 2 18 transparent sticky 2: 1 24 2.5: 1 2 22 opaque non-sticking Imidazole / 3: 1 20 phenyllel, ~ ole 2: 1 liquid liquid 2.5: 1 no translucent POE little 3: 1 after viscous mixing Imidazole / 2: 1 2 22 crystalline not very sticky p-tol.sulfon acid. 3: 1 19 a little sticky Conductivity measurements: The conductivity measurements were carried out by us at the Hydro-Québec Research Institute (IREQ), on an automatic measurement bench developed internally, in series of ten cells using an impé-l ~ ncçm ~ tre Hewlett-Packard HP 4192A coupled to a 10-channel multiplexer The cells are placed in an oven having a cooling (licsPmPn ~ with liquid nitrogen, and regulating better than +/- 1 ~ C All these devices are controlled by a micro-gold ~ in ~ e - r HP 9000 Measurements are always taken from 60 ~ C in steps of 20 ~ C, and t ~ rr ~ -l .. ~ s after 4 hours of stabilization from 60 ~ C to 20 ~ C, then after 2 hours from 20 ~ C to -40 ~ C.

- 21 ~ 4127 -First, Figure 1 o- 2 ~ 1 1 1 1 1 1 2.9 has conductivity 3_ ~ -obtained at decreasing temperature ~ -healthy, for an electrolyte of E 10 4 ~ 3 composition I / S = 2 in mixture ~ E 10-5 imida70l ~ / ~ clde trifllqu ~ pourd ~ so 6 -u / ~ r ~ p ~ v ~ m ~ nL ~
(i.e. for around 10 to 30% in ~ 10-7 r ~ O ~ H = 1 ~ ~ -POE weight 5.106). Figure ~ -8- ~ O / H = 2 2.10, meanwhile, allows ~ o O / H = 3 co - lpalel the obtained condllctivity 10 at increasing temperature, relative- 10- 1 0 temperature temperature 3 3.2 3.4 3.6 3.8 4 4.24.4 decreasing. Electrolytes Figure 2 9: Influence of the quantity of) OEs on the conductlvit for O / H = 2 and 3 do not have the mixture i ". '~ - ~' - 'ac" I triflique for a cGn "~ os; tion al / S = 2.
no hysteresis phenomena, between the measurements made at decreasing and increasing temperature, the kinetics of recri.ct ~ llic ~ tion for these two compositions is therefore slow over the measurement time scale (a few hours), unlike the composition O / H = 1 which is also the least conductive. Even if the better conductivities are obtained at 1 o-2 ~ ll O / H = 2 (20% by weight of POE), for these 10 3 ~ three compositions the electrolytes can o 10-4r ~ be used for electro- systems E 10 5- ~ _ chemicals operating at temperature ~ 10-6- ~ ambient, the conductivities being ~ 10 7 o particularly high, and around g 10-3 Ql.cm-l at 20 ~ C, i.e. at least 10-8- OO / H = l T down c minus an order of magnitude at this ~ 10 9 - ~ O / H = 1 T up - 1 0 ~ II ~ temperature, with anhydrous electrolytes 10 3 3.2 3.4 3.6 3.8 4 4.2 4.4 studied so far.
1000 / T (K) Fi9l.nuarl.ere2i1 ~~ HJ ~ l ~ el ~ earc ~ Jé ~ trJiflel.queào ~ dsuct2vite ~ cplonugrée The composition O / H = 2 presenting the with POE 5.106 for a composition with O / H = 1. better conductivity, the study focused on following on the influence of the composition of the binary for this poly (ethylene oxide) composition, the results are shown in the figure 2.11, for I / S = 2, 2.5, 3, and 4, and in figure 2.12, for I / S = 1/2, 1/3, 1/4. The electrolyte of composition O / H = 2 and I / S = 2 still has the best conductivity, except for the composition I / S = 2.5, and this for a temp ~ l ~ tulc of -20 ~ C, for which we probably observe a ph ~ name ~ does not delay the cry ~ t ~ tion of the electrolyte. It is interesting to note the appearance of the ., curve for the composition VS = 3, the conductivity is certainly lower than that for the composition at VS = 2 by a factor of three at a temperature of 60 ~ C (10-3 vs. 3.10-3 Q-1.cm-l), but joins it prog ~ essivelllent at low temperature, this composition corresponding to that of the eutectic of binary imi ~ l ~ 7Ole / triflic acid. Ultimately, the electrolytes of composition VS <1 pr ~ sçnt ~ nt a conductivity at least an order of magnitude lower than the electrolyte at VS = 2.
_ 10, ~ 0 3 ~
E10 ~ ~ O 8 E 10 a O
~ E 10 4 - OO ~ E 10 5; ~
s 10-5 ~ ~ ~ c 10-6 _ ~ O
1o 0 211 ~ - ~ 10 ~ 7 10 r O 3; 5/1 0 ~ 10 ~ 1/3 o 10-8 ~ OO 10 1/4 ~.) 9. IIII lI O ~ - 1 0 10 3 3.2 3.4 3.6 3.8 4 4.2 4.4 10 3 3.2 3.4 3.6 3.8 4 4.2-4.4 1000 / T (K) 1000 / T (K) Figure 2.11: Influence of the composition of Figure 2.12: Influence of the composition of binary i., '~ -.' e 'Cf3SO3H containing POE binary i "' ~ o. '~' CF3SO3H containing POE
5.106at 0 / H = 2.on the conductivity forl / S> 1 5.106at O ~ H = 2.on the conductivity forl / S <1 In order to assess the influence of POE on the physical properties of the binary imidazole / CF3SO3H, it is n ~ cess ~ ire to establish the partial phase diagram of the binary in its presence. Instead of establishing this for a composition in POE at O / H = 2, it is preferable to study different compositions of the binary mixed with 20% by weight of POE, to be able to compare it with the established phase diagram previously without POE. To avoid the use of a solvent when preparing samples, this n ~ ceased ~ nt careful drying, POE 5.106 is substituted by polyethylene glycol mass 3400 (PEG-3400), corresponding to the fastest kinetics of crict ~ llic ~ tion binary mix in an agate mortar in a glove box. The alcohol functions the end of the chains being present in small quantities, and of a pKa ~ 15, we will suppose that they do not influence the physical properties of the m ~ t ~ ri ~ u The proposed phase diagram is shown in Figure 2.13. Figure 2.14 and Table 2.7, meanwhile, allows ~ tçn ~ to compare the phase diagram and the physical properties obtained in abs ~ nce and ples ~ llce of POE. Poly (ethylene glycol) does not modify the eutectic composition, obtained for VS = 3 in both cases, on the other hand the tempe, ~ lure of the eutectic level ~ u ~ mente slightly from 5 ~ C, and thus goes from 12 to 17 ~ C. The eutectic composition still corresponds to a minima marked with temp ~ c; of tr ~ n ~ ition vill ~ use at -57 ~ C, or a ~ mPn ~ tion of 19 ~ C.
Table 2.7 Influence of POE on the physical properties of the binary i ", ~ - Triflic acid.
Electrolyte I / S eutectic Tv eutectic Te Tf salt Without POE l / S = 3 -76 ~ C 12 ~ C 103 ~ C
20% by weight of POE l / S = 3 -57 ~ C 17 ~ C 33 ~ C
17.

2 1 q4 1 27 -1 1 1 1 70 11 ~ II
40 _ ~ _ 60 - 20% by weight of POE "e Without POE, 2 0 - A ~ _ 0 5 o -_ ~ 30-- ~
E-20 - E 20 -o ~ ~, ~
~ a ~ ~ ~ ~ 10 ~ --e-- ~ -o- ~ n -60 1 1 1 o o 20 40 60 80 100 20 3040 50 60 70 80 % by weight ~ 'e relative to salt% by weight ~ 70'Q
Figure 2.13: Partial phase dkyldlllllle of Figure 2.14: Cou ~ ison of the diagram binary i "~ '- ~' - 'd - ,; trfflique mixed with 20% phase of binary i". '~,' trffligue acid alone, and by weight of poly (ethylene gtycol) of mass 3400. phase diagram in presence: presence of PEG-3400.

The results of figure 2.15 allow to evaluate the influence on the conductivity of the substitution, all or part of the imi (1 ~ 7.ole with 4-methylimid ~ 7.ole, in the particular case of the electrolyte of composition I / S = 2 and O / H = 2.
The conductivity of electrolytes 10-rl decreases with increase of 10-3 ~
the amount of methylimidazole. ~ ~ 3 This is consistent with study '~ 10-4 ~
previous showing the increase- - 1 0- 5 ~~ g ~.
temperature of ~ a glass transition of binaries ~ "10 o imid ~ 7.ole / CF3SO3HWhen we ~ 10-7 ~ o Imidazole o ~
substitutes imidazole with ~ -8 ~ ~ Im / Melm (2/1) ~ -methylimid ~ 7.ole. Figure 2.16 ~ O Im / Melm (1/2) 0 shows the influence of quantity 10 9 ~ o Methylimidazole o of POE on conductivity for 10 10 ~
an electrolyte at I / S = 2 per 1000 / T (K) 4.2 4, 4 which one imid ~ 7Ole out of three is Figure 2.15 Influence of 4-methylimidazole on conductivity substituted by a methylimid: .7.ole from the binary i "~ F 'ac; Je triflique, in the presence of POE at O / H = 2.
(~ n / MeIm (2/1)), for O / H of 1, 2, and 3. The best conductivity at low temperature is obtained for O / H = 1, the conductivities from 20 ~ C being substantially equivalent. The pr ~ sellce of methylimi ~ l ~ 7Ol ~
modifies the quantity of POE for which the optimum conductivity is obtained, however for this optimum (O / H = 1), the conducdvities are equivalent to those obtained without methylimi ~ l ~ 7.ol ~., as illustrated in Figure 2.17.

lB

21941 ~ 7 _ -2 ~ 1 1 1 1 1 1 _10 2 ~ 1 0 - 3 ~ ~ 'E 1 0 - 3 - 10 4 - o E 10 4 ~ ~

~ 10- 6 o ~ ", 1 0 5 ~, ~ - 1 0 ~ 7 r ~ O / H 2 o ~ 10 6 Ir ~ 'e 0 / H = 2 10-8 ro 0 / H = 3 0 ~ o 10 7 ~ Melm (1/2) 0 / H = 1 9 1 1 1 ~ - 8 3 3.2 3.4 3.6 3.8 4 4.2 4.4 10 3 3.2 3.4 3.6 3.8 4 4.2 4.4 1000 / T (K) 1000 / T (K) Fi ~ ure 2.16: Influence of the quantity of POE Figure 2.17: Comparison of the conductivity of 5. 10b- on the conductivity of i., Eldnge I m / Melm (2 / lJmixtures Im / Cf3SO3H at l / S = 2 and O / H = 2 and and triflic acid for a co "", osition at l / S = 2.Im / Melm (1 / 2.1 / CF3SO3H at l / S = 2 and O / H = 1.
The nature of the acid playing a key role on the physical properties of binaries imi (l ~ 7ole / acid, it is interesting to study the effect on the conductivity of acid substitution triflic with p-tolu ~ nesulfonic acid and phenyltetrazole. Results for phenyltetrazole for VS of 2, 2.5, and 3 at O / H = 2 are given in figure 2.18 ~ The best conductivity is obtained for VS = 3, but this is about an order of magnitude lower at 20 ~ C compared to the same electrolyte 10-2 ~ II ~ II
sition u ~ ilic ~ nt triflic acid ~ ~ -The conductivity of the mixture ~ 10 ~ ~
imidazole / phenyltetrazole alone 'E 1 0 ~ 4 ~ ~
is shown in Figure 2.19. 5 _ Even if it is less, the 'E 1 o ~
comparison with that obtained ~ 10 0 in the presence of POE gives' 10-7 ~ ~ -information on the inflllence of ~ 8 - ~ 2: 1 o the presence of POE on the ~ 10 ~ 2,5 / 1 conductivity. We can already 10-9 ~ o 3: 1 o -observe an inversion in -10 ~ I o ~. 10 3 3.2 3.4 3.6 3.8 4 4.2 4.4 1 evolution of conductlvlté in 1000 / T (K) function of the composition of Figure 2.18: Influence on the conductivity of the co ", f ~ osilion du binary which proves the interaction ".el..nge in .. ~ J ', ~, hénJ ~ ltétrazole contenanl from POE 5.106 to OA ~ = 2.
between POE and binary imidazole / triflic acid. The most interesting result is presented in Figure 2.20, by the comparison of the results for the respective optimums of conductivity in the presence (O / H = 2) or no POE. n appal ~ l that the addition of POE significantly improves the co ~ .h ~ cl; lives ~ (one to two orders of quantities depending on the temperature) of the binary imidazole / phenyltetrazole for the temperatures inf ~ ..; ~ .... ~ à60 ~ C.

2194 ~ 27 .

_ The conductivity of the binary im ~ 7okolphenyltétra7-ole without POE allgm ~ nte abruptly above 40 ~ C; however, the binary with composition I / S = 2 has a melting point at a temp ~ u ~ of about 50 ~ C and the jump in conductivity is prob ~ blP.mPn ~ to be linked to its fusion.

10-2 ~ ~ 10 10-3 ~ 2/1 ~ ~ 10 3 ~~ OO 2/1 Without POE ~
~ ~ 2.5 / 1 - "1 ~~ 4 ~ C ~ O 3/1 O / H = 2 E lo S ro ~ 0 311 ~ ESO

10 9 - b- ~ '10 9 o -10 1 1 1 1 ~ -10 1 1 1 1 ll 3 3.2 3.4 3.6 3.8 4 10 3 3.2 3.4 3.6 3.8 4 4.2 4.4 1000 / T (K) 1000 / T (K) Figure 2.19: Influence on the conductivity of Figure 2.20: Influence of the presence of POE
co ", f, osition of", mixture i "~ 'phenyltetrazole. on the conductivity of the mixture Im / phenyltetrazole.

In the same way, figure 2.21 presents the results of conductivity with the binary imi ~ 7el ~ acid p-toluènesl-lfonique for I / S of 2 and 3, mixed with POE at O / H = 2. As for binary imi ~ 7ole / phenyltétra_ole, the best conductivity is obtained for the composition I / S = 3, moreover, this is roughly equivalent to that obtained with the binary imida_ole / phenyltetrazole at same composition, as shown in Figure 2.21.
-2 ~ ~ 10 2 ~ E 10 3 ~ ~ '' E 10 3 ~ OQ
_. 10-4 _ O ~ _ 10 O
E 10-5 r ~ ~ 'E 1 0 5 - ~ ~
10 6 _ o ~ ~ ~ 10 6 _ b : ~ 10 ~ 7 - o Acidetriflique 10-8 _ O 2: 1 ~ 10-8 - ~ Toluenesulfonic acid O 10-9 _ ~ 3: 1 ~ ~ 10 - O phenyltetrazole o 3 3.2 3.4 3.6 3.8 4 4.2 4.4 3 3.2 3.4 3.6 3.8 4 4.2 4.4 1000 / T (K) 1000 / T (K) Figure 2.21: Influence of b co "~ os; tion duFigure 2.21: Comparison of the conductivity for , ~ clange 1 ~ If / p-toluene sulfoniguel' triflic acid p-toluene sulfonic, and the with POE at O / H = 2, on the conductivity. phenyltetrazole al / S = 3 with POE at OKH = ~

II-2-4 Mé ~ ~ e of conductivity of the proton in the molten salt:

In the introduction, let us point out that given the melting point of the eutectic of the mixture imi ~ 7ole / triflic acid at a temperature of 12 ~ C, and the conductivity obtained at 20 ~ C of 10-3 Ql.cm-l, when this mixture is dissolved in poly (ethylene oxide), this binary can be considered to be a proton conducting molten salt. Before trying to describe the meC ~ assumed conductivity nism of the proton in these electrolytes, it is first of all n ~ cess ~
pl ~ specify the properties and nature of the imidazole molecule.

The imi ~ 7ole belongs to the f ~ thousand of azoles which include the cycles with aromatic characters to five atoms which conl; p ~ n ~ two nitrogen, one nitrogen and one oxygen, or one nitrogen and one sulfur. Its structure electronics is special because the pair of free electrons in the nitrogen atom of the NH bond is delocalized and is part of an aromatic system with 6 electrons 7 ~. But the free pair of the other atom nitrogen is available and can accept a proton. The imid ~ 7ole is therefore an amphoteric molecule have two acid-base equilibria, as illustrated in Figure 2.22, which can both accept ~
a proton of pKa = 7, and lose one of pKa = 14 [Ca ~ nl.

H - N / ~ \ N - H pK. - 7 N ~ N - H pK. = 14 N / ~ \ N
Figure 2.22: Amphoteric character of imidazole.
On the other hand, whether in protonated form (imidazole is then in cationic form) or deprotonated (imidazole is then in anionic form), the charge present on the aromatic cycle is delocalized by resonance on the two nitrogen.

The proton of an imidazole molecule linked by a covalent bond to a nitrogen atom, can initiate a hydrogen bond with the nitrogen atom free of an adjacent molecule, as illustrated in figure 2.23. The ~ ~
presence of such hydrogen bonds explaining the boiling point Figure 2P23: TIiNaiHNon hydro high of imi ~ 7ole (Teb = 263 ~ C). The geometry of the NHN bridges thus gene between two i "~~ s ~ s formed was studied by X-ray diffraction, and diffraction of neutrons, the latter measurements being the most reliable [Ma ~ ars ~]. So in the particular case of imidazole, neutron diffraction studies show that the position of the proton is not symmetrical to the two nitrogen atoms, the length of the NH bond being 1.038 ~ compared to a length of 1.83 ~ for the N --- H hydrogen bond (i.e. 2.86 ~ for the N --- HN bond). The imi ~ 7ole molecules are therefore linked to each other via hydrogen bonds intermolecular. Therefore, we can consider this en ~ h ~ înem ~ nt as a pseudo-polymer, based on li ~ hydrogen iconconc.

21 ~ 41 27 ._ Like slllf ~ mide or orthophosphoric acid, it is possible to write a balance autoprotonation for imid ~ 7.ole, as illustrated in Figure 2.24, however, in order to induce a cor ~ uction protonic subst ~ ntiPllP, it is nPcess ~ ire to create charge faults in the m ~ tP.ri ~ -2 N ~ N - H _ N / ~ \ N + H - N / ~ \ N - H
Figure 2.24: Balance of self-association of the 7ole.
To do this, the imidazole molecules are partially doped with an acid, in order to introduce an excess of protons. Figure 2.25 shows the mec ~ ni.cme of conductivity envisaged, in the particular case of the binary imidazole / triflic acid, for the eutPctic composition at VS = 3.

H - N / ~ \ NHN ~ NHN ~ rJ HN ~ N - HTran ~ proton fert along l = \ I = \ / = \ I = \ ~ Rotation of imidazoles and transfer H - N ~ NHN ~ NHN ~ NHN ~ VN - Hdu proton at the end of the chain.

r ~ r = \ / = \ ~ ~
H - N ~ NHN ~ N l; N ~ N ~ N ~ N - HReturn to the initial state.
Figure 2.25: Possible proton conduction mechanism in molten salts of; ll..c '- ~ le.
It is of course obvious that this mechanism is relatively simple and very schematic, however, it highlights the need to rotate molecules imidazole, to allow the proton to move over long distances. This mechanism of deployment: -cement is ultimately quite similar to Grotthus mechanic used to describe transport of the proton in an aqueous medium. Since protons move from a protonated imidazole molecule, to a free imidazole molecule, we can consider these electrolytes as conductors neutral protonics, the imid ~ 7ole deprotonation pKa being 7 in an aqueous medium.

In a way, the proton conductors based on an imidazole / acid mixture, and based on sulfonamide, for example, can be viewed as a generalization of electrolytes aqueous protonics. Indeed, one can eg ~ lPment considered an aqueous solution of acid electrolyte, as an excess proton doping of an amphoteric solvent, and an aqueous solution of a basic electrolyte, like doping by creation of proton vacancies of an amphoteric solvent.

II-2-S Field of electrochemical stability:

The stability domain of the imidazole / triflic acid electrolyte at I / S = 3 with POE SM at O / H = 2 is de ~~ ed in ~ ltili ~ nt a platinum microelectrode of 125, um, and a pseudo-electrode of reference, which is made up of a nickel sheet. Indeed, this metal contains ~ n ~ a quantity important of gn) upelllents hydroxides on its surface, it plays the role of a comparison electrode.
Thus, from two ec ~ ntillo ~ c of the same electrolyte poured onto a nickel sheet, one performs an oxidation sweep, and a reduction sweep, the domq-inP of stqhility éleeh ~ cl, it ~ ique of this electrolyte given by the gap between the two waves of currents.

We thus establish a domqine of electrochemical stability of about 1.6 volts, which is a priori compatible with an application to electrochromic systems for example, and close to the values for the other anhydrous proton electrolytes, as illustrated by the resllltqtc reg. ~ upés in the table 2.8. This result thus confirms the interest in molten salts of imi ~ lq.7ole in electrochemistry.
Table 2.8 High stability domain: truch "~ le des élé ~, t .., l ~ tes pruton, es anhvdres.
Electrolytes POE / H3Po4 Im / CF3SO3HUPOE POE / Sulfamide Aminosils Domain 2a 1.6 1.7b l ~ 2c from a: [Defendini], b: [De7P ~ Rermudez1], c: lRou-cse ~ u].

II-2-6 Conclusion on proton electrolytes:

Anhydrous polymeric protonic electrolytes formed by the mixture of a poly (oxide ethylene) of high mass, and a protonic molten salt obtained by acid doping of a base heterocyclic, in this case imidazole, allow to significantly improve the conductivity comparison of the electrolytes described so far, as illustrated in Figure 2.26 ~ ' ~ 1 û-6 ~ 'CF3S03H US = 2 O / H = 2 _ O / ~ p ~ / El POE / H3PO4 O / H = 2 ~ 10 7 ~ (O BPEl / H3PO4 N / H = 1.5 - ~ POE / Sulfamide O / S = 4 N / H = 5%
1 0 '~''~ ~ I,,,, I

Temperature (~ C) Figure 2.26: Comparison of the conductivity results for the p, i "-; ~, with the ele -I, olytes presented POE / H3PO4 from ~ Defendinil BPEI / H3PO4 from [Ravetl POE / Sulfamide from [DeZeaBermudez ~.
The con ~ uclivile obtained with the m ~ lqnge imi ~ lq-7olelacide ll; rli (read is probably not the oplilllulll to bass ~ IIlp ~ lalul ~, if we consider that we can qbqisser the ~ Illp ~ lalult; of fusion of its eutectic from 12 to # -11 ~ C as a substitute for triflic acid with bis (trifluoromethesulfonyl) imide.

Such electrolytes would therefore make it possible to operate electrochemical systems in films thinS, such as electrochromic glazing, with fast kinetics even at low temperature, ignoring the kinetics specific to electrochemical reactions producing at the electrode, which is not meaningless in view of the very thin thickness of the electrodes l ~ tili ~ es in this case. On the other hand, the conductivity coll ~ crgeallt at - 2.10-3 Q ~ l.cm ~ l at 60 ~ C
in almost all cases, this value is probably a limit linked to the transfer of proton of an imid ~ 7ole molecule protonated to a neutral imi ~ 7olç molecule, but this matters little, since a conductivity of 10-5 Q ~ l.cm ~ l is snffis ~ nte most of the time.

These electrolytes are, to our knowledge ~ ics ~ nce ~ the first example of the demonstration of the possibility of obtaining neutral anhydrous proton electrolytes; previous work referent indeed to acidic or basic electrolytes and the use of a heterocyclic base as imid ~ 7O1e for the synthesis of protonic molten salts at room temperature.

In addition, even if this study focused on molten salts based on imid ~ 7ole, tests pr ~ limin ~ ires show that the stoichiometric salt of the triazole protonated by HTFSI is liquid at room temperature, even after one year of storage in a glove box. So we can consider obtaining anhydrous protonic polymer electrolytes using triazole in su / as ~ itl1tion to imi ~ 7ole, and thus to obtain relatively acid electrolytes, the pKa of triazole for the protonation balance being ~ 3. This is an advantage for their possible application to uti1ic electrochromic systems: mt t ~ -n ~ ctèn ~ WO3 oxide whose films dissolve for p H> 5 In addition, it is also possible to exploit the many possibilities of organic chemistry and macromolecular for directly grafting heterocyclic groups and acid functions on the macromolecular chain. So we can consider obtaining polymer electrolytes self-doped anhydrous protonics no longer containing volatile species, with all the advantages inherent in such an approach in terms of f ~ brir ~ tion technology.

Let us mention eg ~ 1rm ~ nt the potential interest of these electrolytes for the realization of energy sources strong pnics ~ nr ~ es ~ for which the conductivity is an essential parameter, and the solid state a advantage for the f ~ brir ~ tion of these systems by technologies derived from thin film processes.

It is of course obvious that these materials are present ~ 1 ~ ment great interest fon ~ m ~ ntal, a share to understand the m ~ c ~ nicmes of conduction of the proton in these systems, and by the link of between chemistry and biological processes, and more particularly proteins, and their studies relative to the dom ~ ine of electrochemistry of protein electrolytes anhydrous.

Bibliography:

[Angell] PubO Nature [Armand1] Slngapour [Armand2] GFP
[Bertier ~
[Bie ~ gen] Biel ~~ gen, G. Electrochim. Acta 1992, 37, 1471-1478.
[Cob "ll, an] Chemistry of Solid State Materials 2, Proton Conductors, (P. Ca! A., ~ An, Ed.), Can, l, ridge University Press, Cambridge, 1992.
[Charbouillot] Thesis of the University of y, erLb '?, INPG, 1988.
[Dt: fen ', i] Defendini, F. Thèse de rUniversité de Grenoble, INPG, 1987.
[De Zea Bermudez1] De Zea Bermudez, V. Thesis of the University of Grenoble, 1992.
[De Zea Bermudez2] De Zea Bermudez, V .; Sanchez, JY Solid State lonics 1993, 61, 203-212.
[Dippel] Dippel, T. Solid State lonics 1993, 61, 41-46.
[Hadzi] Hadzi, DJ Mol. Struct 1988, 177.1.
[Kreuerl Kreuer, KDJ Mol. Struct. 1988, 177, 265.
[LasseguesJI ~ ssègues, JC in Cr,! C ~ Iban [Malarski] Al ~ ki, Z .; Sobczyk, LJ Mol. Struct. 1988, 177, 339.
[Po,;, s, ~ "on] P ~ i., Siyllon ~ C. Publi ILL
[Ravet] Ravet, N. Thèse de l'Université de Grenoble, INPG, 1994.
Ripochel Ripoche, X. ECS El ~ h ~ h, - ", ~ Materials ll [Rousseau] Rousseall F. Thesis of the University of Grenoble, INPG, 1990.
[St, ~ it ~ ias_,] Sb.iit-.ieser, Jr .; AT.;
[Trinquet] Trinquet, O. Thesis from the University of Bordeaux, 1990.

2! 941 27 _ II-3 CONDU ~ l ~; UKS ALKALINS:

II-3-1 ~ production:

As part of the development of high energy detec batteries, the electrolytes protonics with a limited electrochemical stability range (~ 1.5 Volts), elccLIochimictes se ni ni; ournes vers l'uiilisaiioil SU; V3 ~ orgLLIli4ues r ~ a ~ 3r ~ 1, and ~ lu ~ r ~ t; n polymlArmand ~ l, aprotic, which have an extended domain of stability which can exceed

4 Volts si le vecteur ionique est un sel alcalin. Dans les électrolytes polymères, le polymère pouvant parti~ m~nt être ~ccimile à un solvant aprotique immobile, le soluté étant constitué par un sel de métal alcalin, les m~c~ni.cmes de dépl~cemçnt des ions à l'échelle microscopique sont en partie décrits d'après les théories issues de la physico-chimie des solutions. Aussi, il semble important de préciser les méc~nicmes de solvatation des ions en milieu liquide, avant d'aborder le problème des solvants polymères, ces notions nous seront par ailleurs utiles dans la suite de cet exposé.

II-3-1-1 Les interactions sels-solvants:

D'une façon simplifiée, on obtient un milieu électrolytique idéal d'un sel MX dans un solvant donné
si celui-ci est capable de solubiliser le sel sous forme de paires d'ions, puis de solvater les charges ioniques afin de les séparer, tel que décrit sur la figure 3.1.

MX lonisati~n _ [M~+X~ ]+ S solvatation _M+ S + X-, S
solvant: S
Cristal ionique _ Paire d'ions _ Électrolyte Figure 3.1: Obtention d'un milieu élE~ lyt;que idéal d'un sel MX dans un solvant S.
On obtient ainsi un milieu ionique, dans lequel le sel est dissocié, apte à transporter les ions au sein d'un système électrochimique quelconque (batterie, électrolyseur, pile à combustible,...). On comprend alors ~icément que les propriétés de l'électrolyte dépendent à la fois du sel et de la nature du solvant. Suivant la théorie de Lewis, on définit une base par la capacité d'une espèce chimique à
céder un doublet électronique (soit l'anion X~ dans le cas présent), et un acide comme une espèce disposant d'orbitales vides susceptibles d'accepter une paire d'électrons (soit ici le cation M+); une réaction acido-basique collGspond alors à un éch~nge de doublets. La séparation de la paire d'ions MX ne peut être observée que si le sel est mis en présence d'une base plus forte que X~ (solvatation de M+), ou encore en pr~sellce d'un acide plus fort que M+ (solvatation de X ). n est donc crucial de définir les propriétés acide-base des solvants. A cet effet, la chimie des solutions établit une différence marquée entre les solvants protiques et aprotiques, ceci est exprimé par les concepts de nombre donneur DN[GUtmann1~2l (lié à la tendance d'un solvant à transférer partiellement des doublets aux charges positives) et de nombre accepteur AN IMaYer~G~l'r~ 121 (exprimant la tend~nce d'un solvant à accepter par~i~llPmPnt un doublet électronique des charges négatives).

219~127 Ces paramètres car~ct~ri~nt q~l~ntit~tivement l'acido-basicité au sens de Lewis des solvants, nous avons indiqué dans le tableau 3.1 les nombres donneurs et accepteurs de quelques solvants usuels [Unertl. Les solvants aprotiques dipolaires les plus courants tels l'acétonitrile (MeCN), la ~ diméthylformamide (DMF), ou le Tableau 3.1 r~l~.,L-~s donneurs et ~-c~t,~urs pour ql~PI~ues sol~&nt:j usuels, d'après [Linert]. diméthylsulfoxide (DMS0) peuvent être plus ANDN solvatants que l'eau envers les c~lions D~ ~' rvd~l,dl~eCl--CH2--CH2--Cl1tj,7 o (~~ so = ~.o ~ .e~U= i~
cependant, l'absence de liaisons hydrogène Eau H~O~H 54,819~5 permettant la stabilisation des charges Méthanol CH3--O--H 41 5 191 négatives (ANdmSo= 19,3 à comparer à
ANeaU = 54,8) implique que ces . solvants Ethanol C2H5--O-H 37~9 19 n'interagissent que faiblement avec les anions.
1~" u~ lllaneCH3--NO2 20,5 27 Il faut noter qu'étant donné le rôle prépondérant de la liaison hydrogène dans les Acétonitrile CH3--C--N 18 9 141 ' interactions anions-solvants, il a été
D~ tl,flu~ r CH3--O--CH3 12,5 17 suggéré [Bordwell11 d~employer plutôt la CH3~ terminologie de solvants hydroxyliques Diméthylfor".a", ~ 11 H 16 26 6 CH3 O ' (protlques), etnon-hydroxyllques (aprotlques) CHy S--CH3 pour les différencier. Cette remarque étant DiméthylsuHoxide ll 19,3 29,8 ~ faite, nous utiliserons l'une ou l'autre de ces terminologies. Par la suite, l'introduction du concept de dureté-mollesse ~Pearson1,21 est venu compléter la notion de nombre donneur et accepteur.
Ce critère qu~lit~tif permet de différencier les acides et bases Tableau 3.2 Exemples typlque de de Lewis, en effet, la mécanique quantique montre que la bases dures et de bases molles.
réaction impliquant un acide et une base est favorisée quand BASES DURES BASES MOLLES
les orbitales impliquées ont des extensions spatiales CF3S03 1-comparables. Aussi, les dérivés des éléments légers (lère et Cl04- SCN
2ème ligne de la classification périodique) étant caractérisés N03- BPh4-par des orbitales de faibles volumes, les acides et bases en Cl-dérivants sont peu polarisables, et sont qualifiés de dures. Br-Les éléments plus lourds ont par contre des orbitales d'exten.cion.~ spatiales importantes ~i.~mel-t déformables, on parle alors d'acides et de bases molles.
Quelques bases ~epr~,sel t~tives de ces deux f~milles sont données dans le tableau 3.2 ~Chaba9no], Il est important de noter que les bases molles se dirÇ~rellcient généralement des bases dures par leurs moindres r~si~t~nces à l'oxydation.

Si contrairement aux solvants protiques, les solvants aprotiques stabilisent peu les anions dont la charge est loc~ ée, ils sont par contre de meilleurs solvants des anions volumineux dont la charge est très dis~.~[E--~' "11, la différence trouvant son origine dans la nature des interactions mises 21~4127 en jeu, comme l'illustre la figure 3.2. En effet, l'étqblissoment d'une liaison hydrogène implique un recouvrement partiel entre l'orbitale de l'hydrogène (d'un groupement hydroxyle par exemple) et celle d'un atome électronégatif; or, l'eau étant un solvant dur, la stabilicqtion d'un anion par liaison hydrogène est favorisée quand la charge est locqlisée, c'est à dire dans les cas ou la densité de charge sur l'anion est maximale (par exemple F- pour la famille des halogènes). Par contre, les solvants aprotiques stabilisent les anions par l'intermédiaire d'interactions dipolaires, ce type ~l'inL.;ï;lction est ~nergéliquement plus faible qu'une liaison hydrogène, mais le nombre de dipôles susceptibles de stabiliser la charge est inversemPnt proportionnel à la densité surfacique de charge, ce mécanisme est donc en faveur des anions dont la charge est dispersée dans un volume important.
Solvant Solvant hydroxylique non-hydroxylique ,R ~ ~
H, _ ~ _ "O ~ ~
~ensité éleclf~nique de charge sur l'anion Figure 3.2: Influence de la nature du solvant sur la solvatation des anions.
Tout ceci explique que pour obtenir des milieux ioniques dissociés et de forte concentration, l'électrochimie des miliel)x non-aqueux recourt à des anions dont la charge est dispersée. Différents phénomènes peuvent concourir à disperser la charge d'un anion, on se limitera par la suite uniquement à la stabilisation des charges anioniques par effet attracteur et par résonance. En particulier, si l'on s'intéresse en premier lieu aux carboxylates, aux sulfonates, ou aux perchlorates, on peut considérer qu'ils R--C+ R--C~~
dérivent de l'addition d'un radical électrophile sur l'oxanion o2- 0 ~
lC~ ~i;, comme l'illustre la figure 3.3. Dans chaque cas, il est ~ G
possible d'écrire des formes mésomères permettant de placer la R + ~ ~ R O
charge succe-ccivement sur tous les oxygènes, concourant ainsi à O O
la disperser. Les carboxylates ne délocqliserlt la charge que sur o=a+ o=c~o~
deux ol~ygènes, dans les sulphonates en plus de la délocqlicq~tion o o sur les trois atomes d'oxygènes, l'interaction p~-d7~ entre le Fdi~9,cure,3~s35EdX,ea'p-rèss[cdhoexrakanoonl.~s doublet libre de la charge anionique et une orbitale d vide de l'atome de soufre permet de délocaliser la charge ég,ql~ment sur celui-ci, ceci est cohérent avec la moindre bqsicité observée pour les sulphon~tes que les carboxylates. Cet effet à lui seul n'est pas s~fficq-nt pour obtenir des dérivés solubles des sulfonates et des carboxylates, et seule l'adjoncdon d'un groupement attracteur d'électrons (R = CF3) rlr~inqnt les électrons, est suscepdble de diminuer suffi.sqmment la densité de charge sur l'oxygène pour obtenir des sels de lithium solubles en milieu aprotique. La faible basicité des perchlorates est liée à la conjoncdon de la déloc~lis-qtion de la charge sur les quatre atomes d'oxygène et à l'effet attracteur du chlore, du fait de son électronégativité. La basicité des anions XO4- diminue en effet avec l'électronégativité de l'halogène suivant: Cl04~<BrO4~<IO4~. Les principales formes mésomères permettant de déloc~licçr Ia charge sur ces anions sont indiquées sur la figure 3.4.
~0 _ ~ R--C=O
O O' ~ O ,-~+
--O _ ~ R--=O ~ ~ R-- --O
O
O 0~ 0 1 ~a-o~ _ ~ o=ll ~ - - ~=b ~ - - -~-~=~
Figure 3.4: Exemples de formes mésomeres d'oxanions délQc~ és Dans le cas des bases issues des anions de coordination fluorés telles BF4-, AsF6-, ou PF6-, l'effet attracteur des atomes de fluor conjugué au fait que les doublets libres sur les atomes de fluor sont peut donneurs, le fluor étant une base très dure, permet d'obtenir des sels particulièrement solubles en milieu aprotique. L'effet est encore accentué pour BPh4- et B(CH3)4-, par l'absence de doublets libres dans la molécule, ainsi une solution du sel de lithium de ce dernier dans le dioxolane permet d'obtenir une conductivité ionique de 1,3 10-2 Q~l.cm~l [Klemann].

Tous ces critères, même si ils permettent de cerner les paramètres donnant des sels de métal alcalin, en particulier de lithium, solubles en milieu aprotique, ne sont malheureusement que qualitatifs.
Une première tentative de quantifier les interactions entre les solvants et les anions a conduit à
essayer d'établir, d'une façon similaire au solvant (DNsolv)~ une échelle de nombre donneur propre aux anions l~ 1; m~lhellrell$emçn~ la fiabilité de ces valeurs fût mise en question par la suite.
Une détermination fiable des nombres donneurs de différents anions dans divers solvants (DNX-,Solv) n'a été établi que récemmen~ ~Unert]. Il faut préciser que la mesure du DNX-~solv étant liée aux propriétés solvatochromiques du complexe [Cu(acac)(tmen)]+ (avec acac =acétylacétone et tmen = tétrarnéthyl~nedi~mine), et plus précisément à la modification du niveau énergétique de l'orbitale d de Cu2+, les valeurs obtenues référent à des interactions avec un acide dur. Pour s'affranchir des problèmes de solubilité, les mesures s'effectuent à partir des sels de tétrabutylammoniums des anions. La corrélation de données e~p~ entales issues aussi bien de mesures spectroscopiques, d'équilibres chimiques, de données cinétiques, ou de données thermodynamiques à l'aide des nombres donneurs des anions prouvent leurs fiabilités et la valeur intrinsèque de ce concept. Les nombres donneurs de différents anions relativement au dichloroéth~ne sont donnés dans la figure 3.5, ainsi que celui de l'anion triflate dans divers solvants.
Il est ég~l~m~nt reporté sur cette figure les nombres do~ u..~. et accepteurs des solvants usuels.

21 q41 27 DNx-~DcE DNsolv~DcE DNCF3SO3-,solv ANsolv --BPh4- -- 0DCE_ _ B F4 -- --EtOH
CIO4 ~ _10 _ Me2CO
MeCN _ -_ MeCN~DMS0 DMF
CF3SO3- _ Me2CO--_DMF ~_ DCE

NO3--- _ 20EtOH Me2CO DMSO_MeCN

--CN- DMF_ CH 3C ~2 ~ --30DMSO _ --SCN-Br~--Cl~
I Basesl IBases I EtOH_ ¦ dures ¦ ¦ molles ¦ --40 "
Figure 3.5: Non.l~res donneurs de divers an;ons relativement au dichloroéthane.
Intéressons-nous en premier lieu au DNX-~dce~ on peut considérer que celui-ci mesure la tendance d'un anion à céder un doublet électronique, autrement dit sa basicité dans le dichloroéthane, solvant de référence pour les mesures de nombre donneur. En accord avec ce que nous avons exposé
précédemm~ont, on peut supposer que le DNX-~dce dépend à la fois du centre portant la charge anionique, de la structure de l'anion, et pour une famille d'anions donnée, de la densité de charge anionique. Le DNX-~dce donne donc une mesure de la basicité intégrant l'ensemble de ces paramètres. En particulier, les anions les moins donneurs sont obtenus avec les dérivés tétrasubstitués du bore (BF4- et BPh4-), ce qui confirrne l'intérêt de l'~hsence de doublets libres, ou la présence de doublets peu donneurs, dans la molécule sur sa basicité. L'effet est accentué dans BPh4- par l'effet conjugué de l'encombrement stérique des quatre groupements phényles et de la déloc~lic~ion de la charge qu'ils in~ ent~ ceci justifie que cette anion soit pris comme référence de l'échelle des DNX-~dCe. Il est particulièrement intéressant de noter la différence entre le perchlorate et le triflate, ces deux anions étant génér~lemPnt considérés comme des bases d'une force équivalente. Les DNX-,dCe pour le triflate et le perchlorate semblent donc infirrner cette hypothèse, c'est à notre conn~i~s~nce les seules résultats indiquants que le triflate est une base plus forte que ne le laisse présager les mesures de pKa en milieu aqueux, l'anion est même plus donneur que l'~éto~itrile et tout autant que l'éther diméthylique dans le dichloroéthane. On peut supposer que la symétrie de la molécule joue un rôle, l'anion perchlorate étant p~rfaitement symétrique, on ~u~Jne-nte le volume dans lequel peut se situer la charge, autrement dit l'entropie de configuration de la charge anionique dans la molécule. La valeur pour l'acétate peut sembler faible, la mesure étant effectuée à partir du sel d'ammonium, et non pas de tétrabutylammonium, la moindre solubilité de ce sel dans le dichloroéthane ou l'existence d'aggrégats pourrait expliquer ce résultat.

D~s lGrs, si 1 on s in;.;r~ise ~ 1 inter~Lh~ nir~ 1~ s~l M,~ cL 1~ solvant (S), si L~l~X~,solv <D~solv l'acide (M+) est solvaté, et le sel entièrement dissocié, condition favorable pour l'obtention d'un milieu électrolytique conducteur. Par contre, si DNX-~solv>DNsolv l'acide interagit préfér~ntiell~mPnt avec l'anion, le sel MX reste sous la forme de paires d'ions, le milieu obtenu ~ ~
étant une solution de MX peu ou pas x MX+S _[M+X'] + S pai~dions conductr ce pour les ions (nous ne considérons v pas le cas ou le sel est insoluble dans le o solvant). Il est évident que lorsque ~- MX+S ~c~ ;onsolvanVanion DNX~,solv ~DNsolv~ l'anion et le solvant sont en x compétition pour se lier avec l'acide. Ces v notions sont résumées sur la figure 3.6. Ces c, MX+S ~ ~'+,S + X' I:ssoci~ n considérations sont confirmées par des mesures de conductivité dans le DMSO [Linenl, solvant X ,solv Figure 3.6: Influence du nombre donneur de l'anion X~
très apprécié du fait du nombre important de su~ /a fl;~soc;~i"n du sel MX pour un solvant donné.
corps pouvant être étudiés dans ce milieu.
Ainsi, les anions moins donneurs que le DMSO sont alors entièrement dissociés, de plus, on peut corréler la conductivité molaire avec le DNX-~solv lorsque celui-ci est supérieur au DNdm trad-lis~nt ainsi l'apparition progressive de paires d'ions dans le milieu.
Le nombre donneur d'un anion dépend fortement du solvant, ainsi pour le trinate le nombre donneur passe de 19,2 dans l'éther diméthylique à -4 dans l'eau, la figure 3.5 représente le DNX-~solv du triflate en vis à vis du DNSolv. On peut considérer qu'un anion dont le nombre donneur dans un solvant est inférieur au DNSo~v n'est pas donneur vis à vis d'un acide dur dans ce solvant, ainsi pour le triflate seul la DMF et le DMSO sont susceptibles de répondre à ce critère pour les solvants aprotiques. On obtient de la même façon une échelle comparative pour tous les anions en déc~l~nt l'échelle du DNX ,Solv pour le triflate de la différence entre les nombres donneurs eyist~nt dans le dichloroéth~ne, ainsi Cl04-, BF4-, ou BPh4- ne sont pas donnellns vis à vis d'un acide dur dans les solvants indiqués. Une des conclusions les plus intéress~ntes du travail cité sur les anions est d'avoir montré que le DNX-,Solv est linéairement dépe~ nt du A~olv suivant:
DNX-,solv = 129,6 - 0,548 ANsol v - a Le paramètre a est une con~t~nte pour un anion donné liée à la mesure de l'absorption dans le visible de la bande d-d du complexe [Cu(acac)(tmen)]+ dans le dichloroéth~ne L'influence du ANSolv sur le DNX-~solv peut s'in~l~lé~r aisément, en effet, un anion aura d'autant moins tendance à interagir, avec un acide dur dans le cas présent, lorsque sa charge anionique est stabilisée par le solvant, c'est a dirc partiellem~nt Lransférée sur cclui-ci. En particulicr, le DNX-~solv dans l'eau est obtenu en tliminll~nt la valeur déterminée dans le dichloroéthane de 21 unités. Ainsi, tous les anions cités sur la figure 3.5 ne sont pas donneurs par rapport à un acide dur dans l'eau, le fort pouvoir solvatant de l'eau nivelant partiellement ou complèteme~t la basicité de l'anion.

L'énergie de transfert d'un anion d'un solvant à un autre, et plus spéci~lement de l'eau à un solvant aprotique, est un paramètre caractéristique de la solvatation des ions. Cette valeur est d'autant plus faible que l'anion est facilement solvaté par le solvant aprotique, on peut alors considérer que l'anion est relativement indifférent à son environn~mPnt Les DNX-~solv ont permis de corréler les valeurs e~ nent~les de transfert de l'eau à diff~rents solvants (en kcal/mole) suivant l'équation:
~Gtrans = 0,35 + exp(0,092 ANsolv) L'évolution non-linéaire de l'énergie de transfert est liée à l'interaction, croissante avec le DN
de l'effet donneur et accepteur du solvant induit par la présence de l'anion, impliquant un accroicsem~nt des interactions solvant-solvant, et par la même une modification de la structure locale du solvant, cette notion réfère à celle des coefficients d'activité en thermodynamique. Il est intéressant de mentionner que l'on associe généralement le nombre donneur à une mesure d'enthalpie, la corrélation de l'enthalpie libre avec le DNX-~solv implique donc que le terme entropique, lié au transfert de l'anion, est négligeable ou évolue linéairement. Cette assertion est critiquable~ une modification de la structure du solvant introduit la notion d'ordre, et par la même un terme entropique dans la valeur du DNx-~solv.

L'interdépçn~nce entre les différents paramètres permet de définir la limite de validité du concept de ANSolv et DNSolv~ on ne peut utiliser qu'un seul de ces paramètres pour effectuer des corrélations ou des prévisions, et ce uniquement dans les cas ou l'autre peut-être corl~idéré comme une constante ou négligeable. Ces précautions étant prises, le DNX-~solv est un outil d'une grande valeur dans la compréhension des interactions sels-solvants, les mesures étant d'une part fiables et aisément e~t~-ncibles à de nombreux anions.

21941~7 -II-3-1-2 Les mesures d 'acidité:

MalheurencP-mPnt la detPrmin~tion fiable des nombres donnP,urs des anions étant récente, nous ne disposons à l'heure actuelle que des DNX-~solv pour une qllin~ine d'anions. Par contre, la détermination du pKa d'un acide HX permet de mesurer la basicité de l'anion X~, autrement dit la ten-lan~e de l'anion à céder un doublet électronique à un acide dur, on peut alors raisonnablement supposer que le pKa est d'une certaine façon relié au DNX-,solV. La det~Prmin~tion du pKa d un acidc peut s'effectuer de nombreuses manières, la première référant en général à des mesures de pH dans l'eau à l'aide d'une électrode de verre; en effet, d'après l'équilibre de dissociation de l'acide HA
dans l'eau (valable uniquement pour des solutions diluées), lorsque [AH] = [A-] le pH est égal au PKa de l'acide considéré, ce résultat est une application directe de l'équation définics~nt le pH dans l'eau:

HA ~ Ka ) A- + H+ d'où ~ K = [ ][ ] et ) pH = PKa -log([A~l/[H+]) Les mesures de pH dans l'eau sont cependant très limitées~ sa relative acidité et son faible pouvoir solvatant pour les composés organiques neutres ne permet la détermination de l'acidité que pour -1% des composés organiques connus. De nombreuses méthodes développées par les chimictes organiciens pour déterminer le pKa de divers composés organiques existent; il est en effet possible d'~ccimiler qualitativement le pouvoir électrophile d'un cation à son acidité au sens de Lewis, et le pouvoir nucléophile d'un anion à sa basicité, ceci expliquant partiellPmPnt l'intérêt pour ces mesures de la part des chimictes L'ensemble de ces méthodes ne sera pas détaillé, seules seront exposées celles présPntant un intérêt par la suite.

Afin de palier au problème posé par l'utilisation de l'eau comme solvant pour la détermination des propriétés acido-basique des molécules organiques, de nombreux autres solvants furent envisagés pour ces mesures tels le ben7~ne, ou la cyclohexylamine; même si ces solvants ont permis d'apporter des informations sur le pKa de certaines familles de composés organiques, l'impossibilité
d'établir une comparaison fiable suivant le solvant et la nature du substrat mis en jeu limite gr~ndemPnt l'intérêt de ces résultatc. L'utilisation de la fonction d'acidité H_ relative aux anions, valable pour les miliPux aqueux concentrés ou leurs mélanges, permet en théorie d'établiri des mesures de pKa que l'on peut référer à des valeurs équivalentes dans l'eau. Dans ce cas, on ne s'intéresse plus à la mesure du pH obtenue par une électrode de verre, mais à l'évolution du degré de protonation de la base induit par la présence d'un acide plus fort que son acide conjugué (en général l'acide sulfurique ou l'acide perchlorique), c'est à dire à l'équilibre:

A-+H+ ~ AH

" 32 2 1 94 ~ 27 ~ .
La foncdon d'acidité H_ pour le solvant considéré est alors définie par l'équation:
H_ = pKa+ log~A~l/[AH]
Le pKa dans cette équation est relatif à l'eau. Le degré de protonation est obtenu par la mesure de l'absorption optique propre à l'anion A- en fonction de la quantité d'acide ajoutée à une solution de l'acide AH. La valeur de H_ est deterrninée ~ I'aide d'indicateur IH dont l'on connaît 1~ pK~ dans l'eau, par la détcrmhla;ion ;iu degl~ de prolonaLioll c~rlcspulld~ uilible:
I-+H+ ~ IH
On peut ainsi déte-rmin~r, en théorie, le pKa de n'importe quel acide, mais cela suppose que celui-ci ait le même comportement dans le solvant que l'in~lic~te~lr; il a donc fallu établir les fonctions d'acidité pour différentes f~mill~s de molécules organiques (par exemple on connâît les fonctions d'acidité pour les cétones et aldéhydes, pour les amines primaires, pour les acides cyanés, ....). Il n'existe donc pas de fonction d'acidité, pour un solvant donné, indépendante de la base considérée, la structure de l'anion étant ~étermin~nte en cela. Nous pouvons de nouveau relier ce phénomène au degré de délocalisation de la charge de l'anion, les anions dont la densité de charge est importante inter~gi.ssent fortement avec l'eau via des li~icons hydrogène, déstructurants local~mPnt le solvant, lorsque l'anion est protoné ces interactions disparaissant les molécules d'eau se réor~nicent; il en résulte un accroicsernent de l'entropie du milieu. Le gain d'entropie lors de la protonation est évi-lemment d'autant plus faible que l'anion est délocalisé, ceci explique que la fonction d'acidité
n'est pas forcément valable même pour des anions de structure équivalente, la densité de charge dépendant de la nature des subsdtuants présents sur la molécule. Un exemple particulièremerlt frappant est fourni par l'acide acétique et ses dérivés chlorés, comme l'illustre le tableau 3.3, par la part de l'entropie dans l'acidité résultant de la réorg~nic~tion des molécules d'eau autour de l'anion lors de sa dissociation lMarch]
Tableau 3.3 Données thermody"d",, les pour l'i-~ni3ation d'acides carboxyliques dans l'eau à 25~C.
Acide pKa ~G (kcal/mole) ~H T ~S
CH3COOH 4,76 +6,5 -0,1 -6,6 CICH2COOH 2,86 +3,9 -1,1 -5,0 Cl3CCOOH 0,65 +0,9 +1,5 +0,6 Ce qui est en cause n'est donc pas uniquement la structure de l'anion, mais é~l.omPnt le degré
d'ordre important de l'eau induit par l'auto-association des molécules les unes aux autres, via les liaisons hydrogène, d'où l'intérêt d'utiliser des solvants aprotiques. En cela, le DMSO présente de nombreux avantages vis à vis des autres solvants aprotiques dipolaires, et en particulier d'être stable au base très forte, un acide très faible (pKa=35,1), et un bon solvant pour de nombreuses molécules organiques (on estime qu'il solubilise au moins 50% des mol~ s organiques). Le DMSO est donc un solvant de choix pour développer une échelle d'acidité.

Le choix d'un solvant aprodque appelle quelques précisions, en particulier, on peut écrire l'équilibre d'ionic~tion d'un acide HA dans un solvant S par l'équilibre:
HA+S ~ HS++A-Cela suppose que HA dans ce solvant est plus acide que le solvant dans lui-même. On dé~mit alors la con.c~n~e absolue d'acidité Kabs par:

Kabs = [HS ][A l/tS][HA] ~ pH = -log[HS ] = PKabs - log(~A ]~[HA]) ~ PKabs = PKa + log[S]
On pourrait donc ainsi construire une échelle absolue de pKabS, en corrigeant les valeurs de pKa du log~rithme de la concentration du solvant. Si l'on s'intéresse uniquement à l'écart entre le pKa dans le DMSO et dans l'eau, on obdent ~pKa = log(56/14) - 1,4. D'autre part, l'équilibre d'acido-basicité
entre le solvant et l'acide HA dépend de l'acidité du solvant, ainsi, on a pu déterrniner une différence d'acidité de l'eau et du DMSO dans le DMSO de pKd~so-pKeau=3s~l-3l~4=3~7 Suivant ces deux hypothèses, on pourrait prévoir un ~pKa entre l'eau et le DMSO de 5,1. Le problème est m~lhe...cuse~llent loin d'être aussi simple, on n'observe pas une différence conct~nte entre les pKa mesurés dans l'eau et dans le DMSO. Plus précisément, les acides dont la charge ionique est localisée sont plus acides dans l'eau que dans le DMSO, par exemple, pour le phénol on obdent un ~pKa = 18,03 - 9,98 ~ 8, les anions très délocalisés sont par contre plus acides dans le DMSO que dans l'eau, ainsi pour l'acide picrique le ~pKa est ~ -1,5. Encore une fois, l'écart est relié
à la densité de charge de l'anion, qui facilite ou rend plus difficile sa solvatation suivant la nature du solvant.

La détermination des pKa dans les solvants non-hydroxyliques posent d'autres problèmes pardculier. Elle s'effectue en dosant l'acidité de la molécule considérée par un acide de pKa connu, I'évolution de l'équilibre étant déterminé par spectroscopie. Pour obtenir des mesures précises, il est préférable que l'écart entre le pKa de l'acide étudié et celui de l'in~ic~te~lr soit inférieur à 2 unités pKa, pour cela on dispose à l'heure actuelle d'in-lic~t~urs pcrrnett~nt de déterminer des valeurs de PKa entre 0 et 32, l'échelle de pKa étant ancrée par la concordance pour quelques acides des mesures spectroscopiques avec des mesures potentiométriques. De plus, dans les solvants aprodques, les li~i.con.c hydrogène intermoléculaires étant renforcées (par exemple entre le phénol et l'anion phénate), il faut tenir compte de l'équilibre de dissociation de l'acide et de l'équilibre d'auto-association des molécules pour la déterminatdon du pKa~ afin d'éliminer l'influence de l'auto-associadon. Ce phénomène a permis le développement d'une méthodologie p~rmett~nt de dé!e. ,~ er les conct~ntes d'associ~tiorls aussi bien par li~i.conc hydrogène, que par la formation de ch~l~tes avec des cations 7~lr~lin.c. Le DMSO n'étant stable que quelques minutes en milieu acide fort, il ne permet m~lheu~eucG...erlt pas d'établir une échelle d'acidité intégrant ces derniers.

21 9~1 27 Nous nous sommp~s pour l'instant intéressé à l'influ~Pnce du solvant sur l'établissPmPnt d'une échelle de pKa~ il est aussi possible de s'affranchir de l'inflllence de la solvatation en déterrnin~nt l'équilibre de dissociation en phase ~7ellse Nous ne détaillerons pas ici le principe de la mesure, la mise en oeuvre en est plus complexe qu'en milieu liquide, on accède non pas au pKa de l'acide mais à son enthalpie libre de dissociadon, et ce, en faisant appel à diverses méthodes directes: la spectroscopie de masse à haute pression, la spectroscopie de résonance ionique ,i l'aide d'un cyclotron..., ou indi~ S~A, la spectroscopie photoélectroniquelCatàlanl. Plus précicérnent, soit les deux équilibres formels de dissociation en phase ga~use suivant:
HAj(g) + Aj-(g) ~ Aj-(g) + HAj(g) (a) HAj+(g) + Aj(g) ~ Aj(g) + AjH+(g) (b) L'enthalpie libre de l'équilibre (a) mesure l'acidité de HAj(g) relativement à celle de HAj(g), celle de l'équilibre (b) la basicité de Ai(g) ~G,~(g) +
relativement à celle de Aj(g). La valeur ArOH ~ H + ArO
standard de l'enthalpie libre collGsl)ond à ~G~(ArOH) '~Gt~~H+) ~ ~Gt~(ArO~) l'hypothèse d'un gaz parfait à une fugacité +
de 1 atmosphère. On peut référer l'acidité ArOH ~G~ (S) H + ArO
en phase ~7P-uce, par exemple pour le Figure 3.7: Cycle thermodynamique d'ionisa~i~n du phénol.
phénol, au pKa dans un solvant S à partir du cycle thermodynamique donné sur la figure 3.7.
La conn~iss~nce des enthalpies libres de transfert (~Gt~) entre le solvant et la phase gazeuse perrnettrait de déterminer le pKa de l'acide dans le solvant S à partir de son acidité en phase ga7ruSe par la relation: ~Gi~(S) = 2,302 RT pKa~ l'enthalpie d'ionisation dérivant de l'équation:
~Gj~(g) - /~Gj~(S) = ~Gt~(ArOH) - ~Gt~(H+) - ~Gt~(ArO~) On connaît pour le proton l'énergie de transfert de la phase g;~7P,nse à l'eau (- 260,5 kcaVmole) et au DMSO (-265 kcaVmole). Mais le calcul du pKa implique de conn~ître aussi l'énergie de transfert de l'anion et de l'acide à la phase g~7euse, il se repose alors une nouvelle fois le problème de l'effet de la solvatation sur l'acidité, c'est à dire que les résultats sont toujours aussi dépendants de la structure de l'anion. Or, de nombreuses valeurs d'acidité ou de basicité en phase ~7Puce sont données par la dirrélGnce vis à vis d'un in~ tsnr, aussi même la conn~i~s~n~e de l'acidité de cette in~ t~ollr dans un solvant ne permet pas d'obtenir une valeur fiable du pKa de l'anion dans ce solvant. Ainsi, l'enthalpie libre d'ionisation des phénols méta ou para subsSitués dans l'eau, le DMSO, ou en phase g~l7J~U~;e, montre que même si l'on peut relier linéairement les différentes valeurs d'un milieu à
l'autre, l'effet du s~lbstitu~nt s'accroît au fur et à mesure que l'anion est moins solvaté. Ainsi, pour le phénol substi~ Gi~ décroît avec une pente de -2,2 dans l'eau, de -5,3 dans le DMSO, et de-12,3 en phase g;~7~uce~ en fonction du coefficient de E~mmett ~ du substitn~nt (Cf II-3-2-1), comme l'illustre les résultats de la figure 3.8. L'effet du substituant sur l'acidité est ainsi glob~lPment 2,4 21 94~

fois plus important dans le DMSO relativement à l'eau, et ~ 6 fois plus important en phase gazeuse que dans l'eau. Intéressons-nous m~int~n~nt à l'importance relative de l'enthalpie et de l'entropie dans la valeur de l'enthalpie libre, et ce à partir des inforrnations disponibles sur la figure 3.9.
Comme nous pouvons le conct~ter l'entropie contrôle - 80% de l'énergie de dissociation du phénol en solution aqueuse, ce résultat étant de nouveau à relier à la déstructuration de l'eau lors de l'ionic~tion du phénol; ce fait est confirmer par la part négligeable de l'entropie dans l'énergie de dissociation du phénol dans le D~SO, ce s~lv~nL ~Lanl d'une p~r~ moins structuré et d'autre part un mauvais solvant des bases dures comme le phénol.
4 Volts if the ionic vector is an alkaline salt. In polymer electrolytes, the polymer can party ~ m ~ nt be ~ ccimile to a stationary aprotic solvent, the solute being constituted by a salt of alkali metal, the m ~ c ~ ni.cmes depl ~ cemçnt ions on the microscopic scale are partly described according to the theories from the physico-chemistry of solutions. Also, it seems important to specify the mechanisms of solvation of ions in liquid medium, before tackling the problem of polymeric solvents, these notions will be useful to us in the rest of this presentation.

II-3-1-1 Salt-solvent interactions:

In a simplified way, an ideal electrolytic medium of an MX salt is obtained in a given solvent.
if it is able to dissolve the salt in the form of ion pairs, then to solvate the charges ionic in order to separate them, as described in figure 3.1.

MX lonisati ~ n _ [M ~ + X ~] + S solvation _M + S + X-, S
solvent: S
Ionic crystal _ Pair of ions _ Electrolyte Figure 3.1: Obtaining an elE ~ lyt medium; that ideal of an MX salt in a solvent S.
An ionic medium is thus obtained, in which the salt is dissociated, capable of transporting the ions within any electrochemical system (battery, electrolyser, fuel cell, ...). We then understand ~ icement that the properties of the electrolyte depend on both salt and nature solvent. According to Lewis theory, we define a base by the capacity of a chemical species to yield an electronic doublet (ie the anion X ~ in this case), and an acid like a species having empty orbitals capable of accepting a pair of electrons (ie here the cation M +); a acid-base reaction collGspond then to an ec ~ nge of doublets. Separation of the ion pair MX can only be observed if the salt is placed in the presence of a stronger base than X ~ (solvation of M +), or even in pr ~ sellce of an acid stronger than M + (solvation of X). n is therefore crucial to define the acid-base properties of solvents. To this end, the chemistry of solutions establishes a marked difference between protic and aprotic solvents, this is expressed by the concepts of donor number DN [GUtmann1 ~ 2l (linked to the tendency of a solvent to partially transfer doublets with positive charges) and of acceptor number AN IMaYer ~ G ~ l'r ~ 121 (expressing the tend ~ nce of a solvent to be accepted by ~ i ~ llPmPnt an electronic doublet of negative charges).

219 ~ 127 These parameters because ~ ct ~ ri ~ nt q ~ l ~ ntit ~ tively acid-basicity in the sense of Lewis of solvents, we we have indicated in table 3.1 the donor and acceptor numbers of some solvents usual [Unertl. The most common dipolar aprotic solvents such as acetonitrile (MeCN), ~ dimethylformamide (DMF), or Table 3.1 l ~. ~, L- ~ s donors and ~ -c ~ t, ~ urs for ql ~ PI ~ ues sol ~ & nt: j usual, according to [Linert]. dimethylsulfoxide (DMS0) may be more ANDN solvates as water to c ~ lions D ~ ~ 'rvd ~ l, dl ~ eCl - CH2 - CH2 - Cl1tj, 7 o (~~ so = ~ .o ~ .e ~ U = i ~
however, the lack of hydrogen bonds Water H ~ O ~ H 54,819 ~ 5 allowing load stabilization Methanol CH3 - O - H 41 5 191 negative (ANdmSo = 19.3 to compare with ANeaU = 54.8) implies that these. solvents Ethanol C2H5 - OH 37 ~ 9 19 interact only weakly with anions.
1 ~ "u ~ lllaneCH3 - NO2 20.5 27 It should be noted that given the role preponderant of the hydrogen bond in the Acetonitrile CH3 - C - N 18 9 141 anion-solvent interactions, it has been D ~ tl, flu ~ r CH3 - O - CH3 12.5 17 suggested [Bordwell11 to use the CH3 ~ terminology of hydroxylic solvents Dimethylfor ".a", ~ 11 H 16 26 6 CH3 O '(protlques), et non-hydroxyllques (aprotlques) CHy S - CH3 to differentiate them. This remark being DimethylsuHoxide ll 19.3 29.8 ~ done, we will use either of these terminologies. Subsequently, the introduction of the concept of hardness-softness ~ Pearson1,21 completed the notion of donor and acceptor number.
This criterion which reads makes it possible to differentiate the acids and bases Table 3.2 Typical examples of of Lewis, in fact, quantum mechanics shows that hard bases and soft bases.
reaction involving an acid and a base is favored when HARD BASES SOFT BASES
the orbits involved have spatial extensions CF3S03 1-comparable. Also, derivatives of light elements (lère and Cl04- SCN
2nd line of the periodic table) being characterized N03- BPh4-by low-volume orbitals, Cl- acids and bases drifters are not very polarizable, and are described as hard. Br-Heavier elements, on the other hand, have orbitals de exten.cion. ~ important spatial ~ i. ~ mel-t deformable, we speak of acids and soft bases.
Some bases ~ epr ~, sel t ~ tives of these two f ~ miles are given in table 3.2 ~ Chaba9no], It it is important to note that the soft bases are generally said to be hard bases by their less r ~ if ~ t ~ nces to oxidation.

If unlike protic solvents, aprotic solvents do not stabilize anions whose charge is loc ~ ée, they are on the other hand better solvents of bulky anions whose charge is very dis ~. ~ [E-- ~ '"11, the difference having its origin in the nature of the interactions put 21 ~ 4127 in play, as illustrated in Figure 3.2. Indeed, the etqblissoment of a hydrogen bond implies a partial overlap between the hydrogen orbital (for example of a hydroxyl group) and that of an electronegative atom; however, water being a hard solvent, the stabilization of an anion by bond hydrogen is favored when the charge is localized, i.e. in cases where the density of charge on the anion is maximum (for example F- for the halogen family). However, aprotic solvents stabilize anions through dipole interactions, this type ~ inL.; ï; lction is ~ energetically weaker than a hydrogen bond, but the number of dipoles likely to stabilize the load is inversely proportional to the surface density of the load, this mechanism is therefore in favor of anions whose charge is dispersed in a large volume.
Solvent solvent non-hydroxylic hydroxylic , R ~ ~
H, _ ~ _ "O ~ ~
~ electricality ~ charge charge on the anion Figure 3.2: Influence of the nature of the solvent on the solvation of anions.
All this explains why to obtain dissociated ionic media and of high concentration, electrochemistry of miliel) x non-aqueous uses anions whose charge is dispersed. Different phenomena can contribute to dispersing the charge of an anion, we will limit ourselves thereafter only for the stabilization of the anionic charges by attracting effect and by resonance. In in particular, if we are primarily interested in carboxylates, sulfonates, or perchlorates, we can consider that they R - C + R - C ~~
derive from the addition of an electrophilic radical on the oxanion o2- 0 ~
lC ~ ~ i ;, as illustrated in Figure 3.3. In each case, it is ~ G
possible to write mesomeric forms allowing to place the R + ~ ~ RO
charge sucks-ccively on all oxygen, thus contributing to OO
scatter it. The carboxylates only delocqliserlt the charge on o = a + o = c ~ o ~
two ol ~ ygenes, in the sulphonates in addition to the delocqlicq ~ tion oo on the three oxygen atoms, the interaction p ~ -d7 ~ between the Fdi ~ 9, cure, 3 ~ s35EdX, ea'p-rèss [cdhoexrakanoonl. ~ s doublet free of anionic charge and a vacuum orbital of the sulfur atom makes it possible to relocate the charge eg, ql ~ ment thereon, this is consistent with the lower bqsicity observed for sulphon ~ your than carboxylates. This effect alone is not s ~ fficq-nt to obtain soluble derivatives of sulfonates and carboxylates, and only the adjoncdon of an electron attracting group (R = CF3) rlr ~ inqnt the electrons, is likely to decrease the charge density on oxygen is sufficient to obtain lithium salts which are soluble in the medium aprotic. The low basicity of perchlorates is linked to the combination of deloc ~ lis-qtion of charge on the four oxygen atoms and with the attractor effect of chlorine, due to its electronegativity. The basicity of XO4- anions decreases with the electronegativity of the following halogen: Cl04 ~ <BrO4 ~ <IO4 ~. The main mesomeric forms allowing deloc ~ licçr Ia charge on these anions are shown in Figure 3.4.
~ 0 _ ~ R - C = O
O O ' ~ O, - ~ +
--O _ ~ R - = O ~ ~ R-- --O
O
O 0 ~ 0 1 ~ ao ~ _ ~ o = ll ~ - - ~ = b ~ - - - ~ - ~ = ~
Figure 3.4: Examples of mesomeric forms of delQc ~ ian oxanions In the case of bases derived from fluorinated coordination anions such as BF4-, AsF6-, or PF6-, the effect attractor of fluorine atoms combined with the fact that the free doublets on fluorine atoms are can donors, fluorine being a very hard base, makes it possible to obtain particularly soluble salts in an aprotic environment. The effect is further accentuated for BPh4- and B (CH3) 4-, by the absence of doublets free in the molecule, so a solution of the lithium salt of the latter in dioxolane allows to obtain an ionic conductivity of 1.3 10-2 Q ~ l.cm ~ l [Klemann].

All these criteria, even if they make it possible to define the parameters giving alkali metal salts, in particular of lithium, soluble in aprotic medium, are unfortunately only qualitative.
A first attempt to quantify the interactions between solvents and anions led to try to establish, in a similar way to the solvent (DNsolv) ~ a scale of own donor number to the anions l ~ 1; m ~ lhellrell $ emçn ~ the reliability of these values was questioned later.
Reliable determination of donor numbers of different anions in different solvents (DNX-, Solv) has only recently been established ~ ~ Unert]. It should be noted that the measurement of DNX- ~ solv being linked with the solvatochromic properties of the complex [Cu (acac) (tmen)] + (with acac = acetylacetone and tmen = tetrarnethyl ~ nedi ~ mine), and more precisely to the modification of the energy level of the orbital d of Cu2 +, the values obtained refer to interactions with a hard acid. For to overcome solubility problems, the measurements are made from the salts of anion tetrabutylammoniums. Correlation of whole e ~ p ~ data from spectroscopic, chemical equilibrium, kinetic data, or data measurements thermodynamics using anion donor numbers prove their reliability and value intrinsic to this concept. The donor numbers of different anions relative to the dichloroeth ~ are only given in Figure 3.5, as well as that of the triflate anion in various solvents.
It is eg ~ l ~ m ~ nt reported in this figure the numbers do ~ u .. ~. and acceptors of common solvents.

21 q41 27 DNx- ~ DcE DNsolv ~ DcE DNCF3SO3-, solv ANsolv --BPh4- - 0DCE_ _ B F4 - --EtOH
CIO4 ~ _10 _ Me2CO
MeCN _ -_ MeCN ~ DMS0 DMF
CF3SO3- _ Me2CO --_ DMF ~ _ DCE

NO3 --- _ 20EtOH Me2CO DMSO_MeCN

--CN- DMF_ CH 3C ~ 2 ~ --30DMSO _ --SCN-Br ~ -Cl ~
I Basesl IBases I EtOH_ ¦ hard ¦ ¦ soft ¦ --40 "
Figure 3.5: Non.l ~ res donors of various years; relative to dichloroethane.
Let’s look first at DNX- ~ dce ~ we can consider that it measures the trend of an anion to yield an electronic doublet, in other words its basicity in dichloroethane, solvent guidelines for donor number measurements. In accordance with what we have exposed previously, we can assume that the DNX- ~ dce depends both on the center carrying the load anion, the structure of the anion, and for a given family of anions, the charge density anionic. The DNX- ~ dce therefore gives a measure of basicity integrating all of these settings. In particular, the least donor anions are obtained with the derivatives boron tetrasubstituted (BF4- and BPh4-), which confirms the advantage of the ~ absence of free doublets, or the presence of low donor doublets in the molecule on its basicity. The effect is accentuated in BPh4- by the combined effect of the steric hindrance of the four phenyl groups and of the deloc ~ lic ~ ion of the charge they in ~ ent ~ this justifies that this anion is taken as a reference of the DNX- ~ dCe scale. It is particularly interesting to note the difference between the perchlorate and triflate, these two anions being gener ~ lemPnt considered as bases of a equivalent force. The DNX-, dCe for triflate and perchlorate therefore seem to infirm this hypothesis, it is to our knowledge ~ i ~ s ~ nce the only results indicating that the triflate is a base more strong as suggested by pKa measurements in an aqueous medium, the anion is even more donor that ~ star ~ itrile and just as much as dimethyl ether in dichloroethane. We can assume 2 1,941 27 that the symmetry of the molecule plays a role, the perchlorate anion being p ~ perfectly symmetrical, we ~ u ~ Jne-nte the volume in which the load can be located, in other words the configuration entropy of the anionic charge in the molecule. The value for the acetate may seem low, the measurement being made from ammonium salt, not tetrabutylammonium, the lesser solubility of this salt in dichloroethane or the existence of aggregates could explain this result.

D ~ s lGrs, if 1 in s;;; ~ ~ 1 inter ~ Lh ~ nir ~ 1 ~ s ~ l M, ~ cL 1 ~ solvent (S), if L ~ l ~ X ~, solv <D ~ solv the acid (M +) is solvated, and the salt fully dissociated, a favorable condition for obtaining a conductive electrolytic medium. On the other hand, if DNX- ~ solv> DNsolv the acid interacts prefer ~ ntiell ~ mPnt with anion, MX salt remains in the form of pairs of ions, the medium obtained ~ ~
being a solution of MX little or not x MX + S _ [M + X '] + S pay ~ dions conductr this for ions (we do not consider v not the case where the salt is insoluble in the o solvent). It is obvious that when ~ - MX + S ~ c ~; onsolvanVanion DNX ~, solv ~ DNsolv ~ the anion and the solvent are in x competition to bind with acid. These v concepts are summarized in Figure 3.6. These c, MX + S ~ ~ '+, S + X' I: ssoci ~ n considerations are confirmed by measurements of conductivity in DMSO [Linenl, solvent X, solv Figure 3.6: Influence of the donor number of the anion X ~
much appreciated due to the large number of su ~ / a fl; ~ soc; ~ i "n MX salt for a given solvent.
bodies that can be studied in this environment.
Thus, the anions which are less donor than DMSO are then completely dissociated, moreover, it is possible to correlate molar conductivity with DNX- ~ solv when it is greater than DNdm trad-lis ~ nt thus the gradual appearance of pairs of ions in the medium.
The donor number of an anion strongly depends on the solvent, so for the trinate the number donor goes from 19.2 in dimethyl ether to -4 in water, Figure 3.5 shows the DNX- ~ solv of triflate opposite DNSolv. We can consider that an anion whose donor number in a solvent is less than DNSo ~ v is not a donor with respect to a hard acid in this solvent, thus for triflate only DMF and DMSO are likely to meet this criterion for aprotic solvents. In the same way, a comparative scale is obtained for all the anions in dec ~ l ~ nt the DNX scale, Solv for the triflate of the difference between the donor numbers eyist ~ nt in dichloroeth ~ ne, thus Cl04-, BF4-, or BPh4- are not given with respect to a hard acid in the solvents indicated. One of the most interesting conclusions from the work cited on anions is to have shown that the DNX-, Solv is linearly dependent on the following A ~ olv:
DNX-, solv = 129.6 - 0.548 ANsol v - a The parameter a is a con ~ t ~ nte for a given anion linked to the measurement of the absorption in the visible from the dd band of the complex [Cu (acac) (tmen)] + in dichloroeth ~ ne The influence of ANSolv on DNX- ~ solv can easily get ~ l ~ lé ~ r, indeed, an anion will have as much less likely to interact, with a hard acid in this case, when its anionic charge is stabilized by the solvent, it is a partial dirc ~ nt Lransférée sur cclui ci. In particular, DNX- ~ solv in water is obtained in tliminll ~ nt the value determined in dichloroethane of 21 units. So, all the anions mentioned in figure 3.5 are not donors compared to a hard acid in water, the strong solvating power of water partially or completely leveling ~ the basicity of the anion.

The energy of transfer from one anion from one solvent to another, and more specifically from water to solvent aprotic, is a characteristic parameter of the solvation of ions. This value is all the more weak that the anion is easily solvated by the aprotic solvent, we can then consider that the anion is relatively indifferent to its surroundings ~ mPnt DNX- ~ solv have made it possible to correlate the e ~ nent ~ values of transfer of water to different solvents (in kcal / mole) according to the equation:
~ Gtrans = 0.35 + exp (0.092 ANsolv) The non-linear evolution of transfer energy is linked to the increasing interaction with DN
the donor and acceptor effect of the solvent induced by the presence of the anion, implying a addict ~ nt solvent-solvent interactions, and by the same a modification of the structure local solvent, this notion refers to that of activity coefficients in thermodynamics. It is interesting to mention that we usually associate the donor number with a measure enthalpy, the correlation of free enthalpy with DNX- ~ solv therefore implies that the term entropy, linked to the transfer of the anion, is negligible or evolves linearly. This assertion is criticizable ~ a modification of the structure of the solvent introduces the notion of order, and by the same an entropy term in the value of DNx- ~ solv.

The interdependence between the different parameters makes it possible to define the limit of validity of the concept of ANSolv and DNSolv ~ you can only use one of these parameters to perform correlations or forecasts, and this only in cases where the other may be corl ~ considered as a constant or negligible. These precautions being taken, the DNX- ~ solv is a tool of great value in the understanding of salt-solvent interactions, the measurements being reliable and easily e ~ t ~ -ncibles many anions.

21941 ~ 7 -II-3-1-2 Acidity measurements:

Unfortunately, the reliable determination of given numbers, since anions are recent, we do not at present have only DNX- ~ solv for a qllin ~ ine of anions. However, the determination of the pKa of an HX acid makes it possible to measure the basicity of the anion X ~, in other words the ten-lan ~ e of the anion to yield an electronic doublet to a hard acid, we can then reasonably assume that pKa is somehow related to DNX-, solV. The determination of the pKa of an acid There are many ways to do this, the first one usually referring to pH measurements in water using a glass electrode; indeed, according to the dissociation equilibrium of HA acid in water (valid only for dilute solutions), when [AH] = [A-] the pH is equal to PKa of the acid considered, this result is a direct application of the definitive equation ~ nt the pH in the water:

HA ~ Ka) A- + H + hence ~ K = [] [] and) pH = PKa -log ([A ~ l / [H +]) The pH measurements in water are however very limited ~ its relative acidity and its low power solvent for neutral organic compounds allows acidity determination only for -1% of known organic compounds. Many methods developed by the chemists organics to determine the pKa of various organic compounds exist; it is indeed possible to ~ qualitatively optimize the electrophilic power of a cation to its acidity in the Lewis sense, and the nucleophilic power of an anion at its basicity, this partially explaining the interest for these measurements on the part of the chemists All of these methods will not be detailed, only will be exposed those showing interest thereafter.

In order to overcome the problem posed by the use of water as a solvent for the determination of acid-base properties of organic molecules, many other solvents were considered for these measures such as ben7 ~ ne, or cyclohexylamine; even if these solvents have allowed to provide information on the pKa of certain families of organic compounds, the impossibility establish a reliable comparison according to the solvent and the nature of the substrate involved gr ~ ndemPnt the interest of these resultsc. The use of the acidity function H_ relative to the anions, valid for concentrated aqueous miliPux or mixtures thereof, theoretically allows establishing pKa measurements which can be referred to equivalent values in water. In this case, is more interested in the pH measurement obtained by a glass electrode, but in the evolution of the degree of protonation of the base induced by the presence of a stronger acid than its conjugated acid (in general sulfuric acid or perchloric acid), i.e. at equilibrium:

A- + H + ~ AH

"32 2 1 94 ~ 27 ~.
The acidity function H_ for the solvent considered is then defined by the equation:
H_ = pKa + log ~ A ~ l / [AH]
The pKa in this equation is relative to water. The degree of protonation is obtained by measuring the optical absorption specific to the anion A- as a function of the amount of acid added to a solution of HA acid. The value of H_ is determined ~ using the IH indicator of which 1 ~ pK ~ is known in water, by the detcrmhla; ion; iu degl ~ of prolonaLioll c ~ rlcspulld ~ uilible:
I- + H + ~ IH
We can thus dete-rmin ~ r, in theory, the pKa of any acid, but this supposes that it have the same behavior in the solvent as in ~ lic ~ te ~ lr; it was therefore necessary to establish the functions acidity for different f ~ mill ~ s of organic molecules (for example we know the functions acidity for ketones and aldehydes, for primary amines, for cyano acids, ...). he there is therefore no acidity function, for a given solvent, independent of the base considered, the structure of the anion being ~ etermin ~ nte in this. We can again relate this phenomenon to degree of delocalization of the anion charge, anions with a high charge density inter ~ gi.ssent strongly with water via li ~ icons hydrogen, local destructuring ~ mPnt the solvent, when the anion is protonated these interactions disappearing the water molecules reor ~ nicent; it results in an addiction to the entropy of the medium. The gain of entropy during protonation is obviously all the weaker as the anion is delocalized, this explains why the acidity function is not necessarily valid even for anions of equivalent structure, the charge density depending on the nature of the substances present on the molecule. A special example striking is provided by acetic acid and its chlorine derivatives, as illustrated in Table 3.3, by the part of the entropy in the acidity resulting from the reorg ~ nic ~ tion of the water molecules around the anion during its dissociation lMarch]
Table 3.3 Thermody data "d" ,, les for the ni ~ ni3ation of carboxylic acids in water at 25 ~ C.
Acid pKa ~ G (kcal / mole) ~ HT ~ S
CH3COOH 4.76 +6.5 -0.1 -6.6 CICH2COOH 2.86 +3.9 -1.1 -5.0 Cl3CCOOH 0.65 +0.9 +1.5 +0.6 What is at issue is therefore not only the structure of the anion, but also the degree of significant order of water induced by the self-association of molecules with each other, via hydrogen bonds, hence the advantage of using aprotic solvents. In this, the DMSO presents numerous advantages over other aprotic dipolar solvents, and in particular of being stable very strong base, very weak acid (pKa = 35.1), and a good solvent for many molecules organic (it is estimated that it solubilizes at least 50% of organic mol ~ s). DMSO is therefore a solvent of choice for developing an acidity scale.

The choice of an aprodic solvent calls for some details, in particular, we can write the balance ionic ~ tion of an HA acid in a solvent S by equilibrium:
HA + S ~ HS ++ A-This assumes that HA in this solvent is more acidic than the solvent itself. We then set the absolute con c ~ n ~ e of Kabs acidity by:

Kabs = [HS] [A l / tS] [HA] ~ pH = -log [HS] = PKabs - log (~ A] ~ [HA]) ~ PKabs = PKa + log [S]
We could thus build an absolute scale of pKabS, by correcting the pKa values of log ~ rithm of the solvent concentration. If we are only interested in the difference between pKa in DMSO and in water, we get ~ pKa = log (56/14) - 1.4. On the other hand, the balance of acid-basicity between the solvent and the HA acid depends on the acidity of the solvent, so we were able to determine a difference in acidity of water and DMSO in the DMSO of pKd ~ so-pKeau = 3s ~ l-3l ~ 4 = 3 ~ 7 According to these two hypotheses, we could predict a ~ pKa between water and DMSO of 5.1. The problem is m ~ lhe ... cuse ~ llent far from being as simple, we do not observe a difference conct ~ nte between pKa measured in water and in DMSO. More specifically, the acids whose charge ionic is localized are more acid in water than in DMSO, for example, for phenol on obdent a ~ pKa = 18.03 - 9.98 ~ 8, the very delocalized anions are on the other hand more acid in the DMSO than in water, so for picric acid the ~ pKa is ~ -1.5. Again, the gap is connected to the charge density of the anion, which facilitates or makes more difficult its solvation depending on the nature of the solvent.

The determination of pKa in non-hydroxylic solvents poses other problems pardculier. It is carried out by measuring the acidity of the molecule considered by a known pKa acid, The evolution of the equilibrium being determined by spectroscopy. To obtain precise measurements, it is preferable that the difference between the pKa of the acid studied and that of in ~ ic ~ te ~ lr is less than 2 units pKa, for this we currently have in-lic ~ t ~ urs pcrrnett ~ nt to determine values of PKa between 0 and 32, the pKa scale being anchored by the agreement for some acids of spectroscopic measurements with potentiometric measurements. In addition, in solvents aprodques, li ~ i.con.c intermolecular hydrogen being reinforced (for example between phenol and phenate anion), the acid dissociation balance and the balance of self-association of molecules for the determination of pKa ~ in order to eliminate the influence of self-association. This phenomenon has enabled the development of a methodology for th! , ~ er conct ~ ntes of associ ~ tiorls as well by li ~ i.conc hydrogen, as by the formation of ch ~ l ~ tes with cations 7 ~ lr ~ lin.c. DMSO being stable for only a few minutes in an acid medium strong, it does not allow m ~ lheu ~ eucG ... erlt not to establish an acidity scale integrating these.

21 9 ~ 1 27 For the moment we are interested in the influence of the solvent on the establishment of a scale of pKa ~ it is also possible to overcome the inflllence of solvation in deterrnin ~ nt balance of dissociation in phase ~ 7ellse We will not detail here the principle of the measurement, the setting work is more complex than in a liquid medium, we do not access the pKa of the acid but its free dissociadon enthalpy, using various direct methods: spectroscopy mass at high pressure, ion resonance spectroscopy, using a cyclotron ..., or indi ~ S ~ A, photoelectron spectroscopyCatàlanl. More specifically, both formal ga ~ use dissociation equilibria following:
HAj (g) + Aj- (g) ~ Aj- (g) + HAj (g) (a) HAj + (g) + Aj (g) ~ Aj (g) + AjH + (g) (b) The free enthalpy of equilibrium (a) measures the acidity of HAj (g) relative to that of HAj (g), that of equilibrium (b) the basicity of Ai (g) ~ G, ~ (g) +
relative to that of Aj (g). The value ArOH ~ H + ArO
free enthalpy standard collGsl) ond to ~ G ~ (ArOH) '~ Gt ~~ H +) ~ ~ Gt ~ (ArO ~) the hypothesis of a perfect gas with a fugacity +
of 1 atmosphere. We can refer the acidity ArOH ~ G ~ (S) H + ArO
in phase ~ 7P-uce, for example for Figure 3.7: Thermodynamic cycle of ionisa ~ i ~ n of phenol.
phenol, to pKa in solvent S from of the thermodynamic cycle given in figure 3.7.
The conn ~ iss ~ nce of free transfer enthalpies (~ Gt ~) between the solvent and the gas phase would allow the pKa of the acid in solvent S to be determined from its acidity in the ga7ruSe phase by the relation: ~ Gi ~ (S) = 2,302 RT pKa ~ the enthalpy of ionization deriving from the equation:
~ Gj ~ (g) - / ~ Gj ~ (S) = ~ Gt ~ (ArOH) - ~ Gt ~ (H +) - ~ Gt ~ (ArO ~) The transfer energy of the g phase is known for the proton; ~ 7P, nse to water (- 260.5 kcaVmole) and to DMSO (-265 kcaVmole). But the calculation of pKa also implies knowing the transfer energy of the anion and the acid in the g ~ 7ous phase, it again rests the problem of the effect of solvation on acidity, i.e. the results are always as dependent on the structure of the anion. However, many acidity or basicity values in ~ 7Puce phase are given by the dirrélGnce with respect to an in ~ tsnr, also even the conn ~ i ~ s ~ n ~ e of the acidity of this in ~ t ~ ollr in a solvent does not make it possible to obtain a reliable value of the pKa of the anion in this solvent. So, the free ionization enthalpy of meta or para-phenols in water, DMSO, or in phase g ~ l7J ~ U ~; e, shows that even if we can linearly connect the different values of a medium to the other, the effect of s ~ lbstitu ~ nt increases as the anion is less solvated. So for the phenol substi ~ Gi ~ decreases with a slope of -2.2 in water, -5.3 in DMSO, and -12.3 in phase g; ~ 7 ~ uce ~ according to the coefficient of E ~ mmett ~ of the substitute ~ nt (Cf II-3-2-1), as this is illustrated in Figure 3.8. The effect of the substituent on the acidity is thus glob ~ lPment 2.4 21 94 ~

times greater in DMSO relative to water, and ~ 6 times greater in gas phase than in water. Let’s look at m ~ int ~ n ~ nt the relative importance of enthalpy and entropy in the value of the free enthalpy, and this from the information available in figure 3.9.
As we can conct ~ entropy control - 80% of the dissociation energy of phenol in aqueous solution, this result again being linked to the destructuring of water during the ionic ~ tion of phenol; this fact is confirmed by the negligible part of the entropy in the energy of dissociation of phenol in D ~ SO, this s ~ lv ~ nL ~ Lanl of a less structured p ~ r ~ and on the other hand a bad solvent for hard bases like phenol.

5 , , , , 2 ¦ Phénd ¦ ¦Phénol ¦
~_ O ~ ~ PeaU=2~2 ~ 1 ~
" 5 ~ _ ~ ( )e~u ' 3~J j~

aGe~u ~ Pd 5,3 I ,~/ = DMS0 '~ dmso \ ~Z --gaz p --12,3 ~ G)dmo 0~96 -1 5 ' ' ' ' -3 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 ~4 -3 -2 -1 0 1 2 ~5 QG~ (kcal/mole) Figure 3.8: Influence du sllhct;tl~A~7t surle ~G Figure 3.9: Fraction de l'enthalpie dans l'énergie d'ion;sdti~n du phénol et ce dans divers milieux. d'ionisdti~n du phénol dans l'eau et dans le DMSO.
Tout ceci nous montre la difficulté de comparer l'acidité d'anion d'un milieu à un autre, et même dans le même milieu, tant la structure de l'anion et la nature du solvant joue un rôle dans l'équilibre d'ionisation. Il faut cependant retenir une règle qualitative: un anion dont la densité de charge est importante est plus acide dans l'eau que dans un solvant aprotique, un anion dont la charge est dispersée est plus acide dans un solvant aprotique que dans l'eau. Les informations dont nous disposons sur les anions référent m~lh~urellsçm~nt tout aussi bien à des mesures spectroscopiques ou potentiométriques, en milieu aqueux ou partiellement aqueux, dans le DMSO, ou en phase ga~use. Comme nous le verrons par la suite, ceci explique l'écart obtenu entre les différentes valeurs de la littérature, et la prudence n~cess~.~e dans leurs utilisations. Les problèmes que nous venons d'exposer pour la dé~rmin~tion de l'acidité d'un anion ne font que renforcer l'intérêt que nous portons au concept de nombres donneurs des anions et à la méthodologie permettant d'accéder à ce paramètre. La mesure s'effectuant à partir du sel de tétrabutylammonium, il est possible de mesurer le DNX~ V aussi bien pour des acides très fort que pour des bases fortes, soit sur au moins 30 unités pKa. Ce concept, si il est étendu à d'autres anions, sera cert~inem~n~ un outil d'une grande valeur pour la compr~h~nsion des interactions sels-solvants.

2l94127 -II-3-1-3 Les interac~ons sels-polymères:

Si nous nous intéressons maintenant aux polymères[A~and2-51, la présence dans la châîne d'hétéro~tomes (O, N, P, S...) ayant des doublets électroniques libres, permet des interactions avec les cations, leurs conférants ainsi des propriétés solvatantes. Il était connu que les oligomères de la famille des glymes (n<20) solvatent ~i~ment les cations, CH3O(CH2~H2~)nCH3 1~ flexibilité de la molécule permettant aux atomes ~O, ~O~
GLYMES d'oxygènes de s'orienter de façon à les complexer par ~) l'interm~ re du chélate ainsi formé. En effet, comme le CH~LATE
montre la figure ci-contre, on obtient ainsi un cycle à cinq atomes connu pour favoriser la formation de complexes stables. Ce méc~nicme s'étend aux polymères de hautes m~cses, en particulier au poly(oxyde d'éthylène), ou POE, de motif monomère (CH2-CH2-O); de façon simil~ire aux glymes, la flexibilité de la chaîne lui permet d'adopter une configuration en hélice favorable à la solvatation des cations. Suivant cette hypothèse, les doublets électroniques des atomes d'oxygènes tournés vers l'intérieur de l'hélice sont placés suivant une structure proche de celle des éthers-couronnes, la solvatation des cations par le POE est ainsi favorisée par l'entropie de configuration qui en résulte. Ce paramètre différencie nettement le POE des solvants aprotiques dipolaires, et explique son exceptionnel pouvoir solvatant vis à vis des cations, et du lithium en par~iculier. On peut estimer, d'après les valeurs obtenues sur les glymes, que le nombre donneur du POE est d'au moins 22, cette valeur étant probablement supérieure du fait de la proximité imposée aux motifs solvatants; le ANpoE quant à lui peut s'estimer à ~10 . On pourrait également définir un nombre donneur apparent (DNapp) du POE intégrant le facteur entropique, sachant qu'il solubilise le chlorure de lithium pour donner des électrolytes très peu conducteurs, on peut supposer que le DNapp est proche du nombre donneur de Cl- dans un solvant de AN~ 10 ILiner~], nous aboutissons donc à une estim~ion du DNapp proche de 40. Il est possible d'~csimiler, d'un point de vue formel, le poly(oxyde d'éthylène) à un solvant non-hydroxylique très visqueux possédant un degré d'ordre important au niveau microscopique (où en ce sens il se rapprocherait plutôt de l'eau).
La figure 3.10 illustre sclléma~ uement la différence qui existe entre les modes de conduction des ions respectivement en milieu liquide, et en milieu polymère [Almal~d31.

S~lu~ions lig~ la~. Poly."~,~s~ is...es lr nS,~G. l d'ions solvat~Ss de solvatdtlon/désolv '-~ion Figure 3.10: Comparaison des ",éoan;_."es de conduction entre les cls~b~ tes liquides et les él~t~ul~tcs po/~",er~s d'après [Arrnand3~.

21 9~1 27 Ainsi, con~ e-llent aux liquides, pour lesquels le méc~nisme de transport des ions fait intervenir le dépl~cem~nt des ions solvatés par des molécules de solvants, les cations se propagent en passant d'une hélice à l'autre suivant un m~C~nisme de solvatation/désolvatation dans le POE, les anions se situant à l'extérieur de la châîne, d'où le qu~lifi~tif de solvant immobile.

Avant de dét~iller plus loin les caractéristiques propres aux électrolytes polymères, le POE étant un solvant aprotique, lors des prelni~res eludes sur les baL~erics ii eleclloly~es pulymeles, il fûi envisagé d'utiliser des anions durs délocalisés tels CF3SO3-, Cl04-, ou les anions de coordination fluorés comme BF4-, pour la synthèse des sels de lithium. Malheureusement, ces anions présentent des inconvénients majeurs pour cette application:

~ Les anions de coordination fluorés résultent de l'action de la base F- sur l'acide de Lewis AFn, ainsi BF4- correspond à l'équilibre acide-base: BF3+F- ~ BF4-. Du fait du pouvoir pol~ris~nt de Li+ et de l'importante énergie réticulaire de LiF, l'équilibre peut-être redéplacé vers la gauche, il en résulte une dégradation de l'électrolyte, liée à la coupure des chaînes de POE par BF3 lchabasno~Robitailbl~ PF6- et AsF6- ont un comportement similaire. De plus, la présence d'arsenic dans l'anion AsF6- pose des problèmes quant à sa tOXiCitf~.

~ L'instabilité chimique du perchlorate entraîne des risques d'explosions imprévisibles lors de sa manipulation. Il est difficile d'en im~iner la manipulation de quantités importantes dans un procédé industriel, les essais infructueux récents à ce sujet n'ont fait que confirmer ce qui était ainsi connu depuis longtemps [Picotl.

~ Dans les batteries à électrolytes liquides, la réactivité des fluors de l'anion CF3SO3- vis à vis du lithium métallique limite son utilisation aux systèmes primaires. En milieu polymère, les divers produits de réaction sur le lithium crée une mince couche d'un électrolyte solide [Bélangerl stabilisé
mécaniquement par le polymère, limitant la réduction des anions en évitant leurs contacts avec le lithium mét~llique. Cependant, comme nous le préciserons par la suite, le diagramme de phase défavorable du triflate de lithium implique un fonctionn~mlont des batteries à une température élevée [~~ ' ~ 21 (~ 130~C) pour obtenir une pui~s~nce slJffls~nte, entrâînant en particulier une moindre stabilité chimique du POE vis à vis du lithium.

Les anions utilisés à l'origine pour les b~tteries au lithium à électrolyte F ~ E3 ~ F
liquide n'étant pas propice au développement des b~teries à électrolyte FF,C~ F
polymère, il est vite apparu le besoin de trouver des anions propres à ces AN1OON DU TFSI
derniers systèmes. Ceci a amené l'utilisation des sels de bis(trifluoro-méth~neslllfo~imi~le) de lithium (LiTFSI) dont nous donnons la formule ci-dessus, et dont l'intérêt est confinné depuis plus de dix ans dans le cadre du développement des batte~s ACEP.

. .
Comparativement aux anions envisagés auparavant, le TFSI présente différents atouts, et entre autres: d'être non explosif, de ne comporter que des liaisons covalentes, gar~ntiCs~n~ ainsi sa stabilité en présence de POE, et comme nous allons le préciser, d'améliorer les propriétés thermiques des électrolytes.

Indépen-~mm~nt des problèmes posés en terme d'application, si l'on s'intéresse en premier lieu aux proprietes physiques du POE, lc polymi~re, issu de la polym~ris~lion de l'oxyde d'é~1ylene, présen~e une structure régulière et symétrique qui lui confère un caractère semi-crict~llin Les propriétés thermiques du POE se stabilisent à partir d'une masse molaire >104 g/mole (soit -230 unités monomères), il est bien sur évident que cette valeur est supérieure au seuil d'enchevêtrement des châînes de POE(~ 3.103 g/mole). Dans ces conditions, la température de fusion du POE se stabilise à ~ 65~C (pour T>Tf le POE est amorphe), en dessous de cette température le polymère est composé d'un mélange d'une phase cristalline (sous forme de sphérulites) et d'une phase amorphe, le fort taux d'enchevêtrement empêchant la totalité des chaînes de crict~llicer. A une température de 25~C, la phase cristalline occupe ~ 60% du volume du polymère, ce qui laisse une part non négligeable de phase amorphe. En présence d'un soluté, le POE tend à former des complexes cri.ct~lli.c~,c (OU solvates) et de stoechiométrie définie, différentes stoechiométries sont connues pour les complexes avec les alc~lins légers (Li, Na), essentiellement: 6:1, 3:1, 2:1, 1:1, des complexes 4:1 et 8:1 sont plus fréquents avec les alcalins lourds (K, Cs). Tout comme pour un mélange solvant-soluté, l'état physique du POE avec ses différents solvates est décrit par un diagramme de phase, la distinction liquidus-solidus propre à un milieu liquide se fait ici entre phases crist:-llines et la phase amorphe, considérée comme un liquide au point de vue thermodynarnique. On observe une nouvelle fois une similitude avec les milieux liquides, le diagramme de phase du mélange POE/NaI
étant simil~ire à celui obtenu avec le mélange H20/NaI, les deux diagrammes étant simplement décalés d'environ 70~C, ce qui correspond approximativement à la différence de fusion /~Tf = 65~C
entre les deux solvants. Nous présentons sur la ~lgure 3.11, les diagrammes de phases POE-sels pour les sels de lithium suivant: LiCF3S03, LiC104, LiTFSI [Valléel,Annand3] et LiASF6 [Robitaille]
250 64 32 16 10 6 3 2 1 EO,'Li 300 32 16 ~ 4 4 3 2 1 EOIU

200 PEO-LiN(SO2CF3)2 i 250 PEOLiCI04 f 150- :
~, 100 - ,~_ 200 t_150- "
f ~
--~ , ~ Tg 50 ~
.00.2 0.4 0.6 0.8 0.0 0. 2 0.~ 0.6 0. 8 Fra~tion ponderale en sel F~tion ponderale en sel 64~ 16 8 4 3 2 1 EO/Li 350 ~ 200 300 . PEO LiCF3S03 PE0-LiAsF6 250 ~ 150 -" : ~
t 200 : ~ 100-150~ E

" " "
0. 0 0.2 0.4 0. 6 C .8 0 0,2 0,4 0,6 0,8 rr~1ion porderaJe en sel Fraction pondérale en sel Figure 3.11: Didylailulle de phase des mélanges de LiCF3SO3, LiTFSI, LiC104 avec du PEG3400, d'après ~Armand3] et de Li4sF6 avec du POE 5M, d'après [J~ ~. 'lel.
Dans tous les cas, entre le solvant pur (POE) et le solvate stoechiométrique de concentration en sel la plus faible, existe syst~m~tiquement un eutectique dont la fusion se produit à une température inférieure à celle des deux cot-ctit~l~nts Le diagramme de phase avec le triflate se distingue des trois autres par l'absence du complexe de plus bas point de fusion de composition 6:1, ceci décale la composition eutectique vers les faibles concentrations en sels, on admet généralement que la non-existence de ce solvate est liée à la dissymétrie de l'anion, il s'agirait alors uniquement de l'influence d'un paramètre géométrique sur le diagramme de phase. La règle inverse n'est pas toujours vérifiée, malgré la symétrie de BF4- le diagramme de phase du mélange POE-LiBF4 ne présente pas de solvate de composition 6:1 mais 3:1~ Lorsque celui-ci existe la température de fusion du solvate de composition 6:1 dépend fortement de l'anion suivant:
Tf (CF3SO2kN ~< Tf Cl04- < Tf AsF6-La température de fusion passe ainsi de 136~C pour AsF6- à z 50~C avec l'anion du TFSI, soit un gain d'environ 85~C La diminution du point de fusion entre le perchlorate et l'hexafluoroar.sé~ t~.
peut s'expliquer par la structure dans laquelle cri.st~11i.ce l'anion, l'hexafluoroarsénate de par sa géométrie octaédrique, cri.ct~llise dans une structure plus compacte, et donc de plus forte énergie réticulaire que le perchlorate. Le volume important de l'anion du TFSI et l'existence d'interactions orbitalaires "7~" d-p dans la liaison S-N-S (simil~ire à la structure Si-~Si dans les siloxanes), indlli.c~nt une flexibilité importante de la molécule, peuvent expliquer le faible point de fusion du complexe 6:1. De plus, l'écart entre la tempé.~lule de fusion du complexe 6:1 pour le perchlorate et pour le TFSI ~Tf ~ 15~C lV~Iée11~ est similaire à l'écart de la température de fusion des deux sels de lithium ~Tf=251 - 234= 17~ClVallée~l, ce qui tend ~ col-fi.".~.r l'inflllçnce de la structure crist~llinP.
du sel de lithium sur la température de fusion du complexe.

~- 21 941 27 La conn~ics~nce du diagramme de phase est essentiel à la compréhension des résultats de conductivité, en effet, seule la phase amorphe permet une mobilité appréciable des cations.
~;ssçnti~ m~nt deux équations représentent l'évolution de la conductivité avec la température: la loi d'Arrhenius et la loi dite du volume libre. La loi d'Arrhenius permet habituell~ment de rendre compte de l'évolution de la con~uctivité~ en fonction de la t~m~lalulc~ dans un liquide ou dans un solide ionique (verre, ~AgI...), où l'on suppose que le m~C~nisme de dépl~cem~nt fait intelvenir le sau~ active d'une barliere de polcnLiel par les ions, elle s'exprime par l'equaLion:
~ = ~, exp(-Ea/RT) Dans cette équation Ea repr~sentent l'énergie d'activation. Elle s'applique aussi à la conductivité des mélanges sels-POE en dessous de leur point de fusion, et traduit l'évolution de la conductivité dans la phase amorphe dans laquelle se dissout progressivement la phase cristalline. L'énergie d'activation élevée est alors reliée à l'enthalpie libre de fusion des cristallites dans la phase amorphe. Au dessus du point de fusion déterminé par le diagramme de phase, même si les électrolytes sont composés d'une phase arnorphe homogène, deux cas se pr~sentent suivant l'anion:

~ Les sels de lithium dérivants d'un anion symétrique et donn~nt un complexe 6:1 de bas point de fusion, comme le LiTFSI ou LiCl04 suivent une loi de conductivité du type volume libre dont une des expressions est donnée par l'équation de Vogel-Tamman-Fulcher (VTF):
c~ = A /~IT exp(-Ea/(T-TO)) Cette équation suppose que la diffusion des espèces dépend des mouvements locaux désordonnés dans le milieu, elle met en jeu trois paramètres (alors que la loi d'Arrhenius ne dépend que de deux): le terme To représente la température idéale de transition vitreuse, le terme pré-exponentiel A est proportionnel à la concentration en porteurs de charges libres, le terme Ea est un terme de pseudo-énergie d'activation. Cette équation décrit généralement le comportement des électrolytes dans un état amorphe, comme le mélange POE-sel au dessus de Tf, OU le mélange d'un sel avec un électrolyte non-crict~llic~ble, comme le poly(oxyde de propylène) ou POP. Il faut noter que la cinétique de recrist~llic~tion du mélange POE-LiTFSI, pour la composition eutectique (plusieurs jours), étant lente à l'échelle du temps des mesures de conductivité, l'évolution de la conductivité
suit une loi du type volume libre même à basse température.

~ Les sels de lithium dorln~nt un complexe 6:1 ou 3:1 p~se~ nt un point de fusion élevé, comme LiAsF6, LiBF4 ou LiCF3SO3 (Tf comple%e>l3ooc)~ ou autrement dit à forte énergie réticulaire, obéicce-n~ encore à une loi d'Arrhenius mais de moindre énergie d'activation. Nous avons résumé
ces notions sur la figure 3.12.

~1 941 27 Tf ~ Tf ~~
~ _ ~ _ ~ _ o o o ex: POE/LiAsF6 ex: POE/LiCI04 ex: PPO/LiTFSI
1/T 1/T l/T
Arrhenius T~Tf A"l enins Volume libre Figure 3.12: Loi typique d'évolution de la conductivité en fonction de la température.
La tempél~lure de transition vitreuse idéale de la loi VTF définit celle où l'excès de l'entropie de configuration du polymère s'annule, cette valeur peut s'obtenir par extrapolation à partir des mesures de conductivité. Dans la pratique, on accède plutôt à la température de transition vitreuse Tv par des mesures calorimétriques, ou spectroscopiques comme la RMN. Pour les électrolytes polymères, on peut estimer en première approximation que TV-To - 50~C, l'écart s'explique par le fait que To est un paramètre thermodynamique propre au polymère, alors que Tv est un paramètre cin~tique dépend~nt de l'échelle de temps d'observation du système (~ 100 s en DSC à 10-6 s en RMN). Lors de la dissolution d'un sel dans le polymère, l'introduction concomitante de fortes interactions électrostatiques induit des restrictions de conformations des chaînes qui se traduisent par une augment~tion de la température de transition vitreuse. Le tableau 3.4 montre l'influence de l'anion sur la variation de Tv avec la concentration en sel de lithium LiX [A~and3].
Tableau 3.4 Variation de la te""~é,~t~re de transition vitreuse du POE avec la teneur en sel de lithium.
Sel de litl,iul.. LiBPh4* LiSCN LiCl04 CF3SO3Li LiTFSI
aTV/~Csel (~C/moie%) 6,7 3,8 4,2 2,8 2,8 ~ d'après [Vallée2].
La nature de l'anion influe notablement sur la variation de la température de transition vitreuse, d'après ces rés~llt ~tS, elle est minim~le pour les anions incorporant le groupement triflyl (CF3SO2).
I1 est probable que l'effet provienne essentiellement de la présence du groupement CF3, son caractère très hydrophobe diminuant les interactions entre l'anion et le polymère hydrophile. Ces mesures sont effe~tuées en trempant rapidement (~-300~C/mn) un éch~ntillon fondu d'électrolyte, ceci est possible jusqu'à 40% en mole de LiTFSI dans l'électrolyte, par contre avec le triflate de lithium à partir ~15% en mole, l'électrolyte recri.ct~llise immé~ tement La flexibilité de l'anion TFSI lui confère des pro~ t~s pl~stifi~ntes sur les châ~nes de POE qui permettent de diminuer net~.~lent la vitesse de recri.~t~ qtion des électrolytes.

2~941Z7 Même si le POE est le polyéther pr~sçnt~nt ~tllçll~m~nt le meilleur pouvoir solvatant vis à vis des cations, il présente l'inconvénient d'être semi-crict~llin Pour pallier à ce problème, des dérivés non-crist~llic~bles du POE ont été développés. Un des moyens de limiter, ou d'éliminer la crict~llinit~ du POE est de casser la régularité de la châîne par l'introduction de défauts ponctuels, e~ çh~nt ainsi les chaînes de se replier pour former des cri.ct~llit~s Nous nous limiterons à deux exemples de tels polymères. Une des possibilités est de copolymèriser en réacteur, par catalyse coordinée type Vandenberg [Alloin1] OU par polymérisaLion anioni~lue [Allcin1], l'oxyd~ d'eillylelle avec des époxydes portant un g-o-lpe~ nt latéral. On introduit également des motifs allyl-glycidyléther permett~nt d'améliorer la tenue méc~nique du matériau par réticulation. Plus récemment l'extension de la réaction de Willi~mcon de formation des éthers à la synthèse de polyéthers [800th,Alloin1,2l, a permis d'éviter la manipulation de monomères gazeux toxiques et ainsi de simplifier leur synthèse.
Le procédé de synthèse le plus intéressant utilise la condçns~tion du poly(éthylène glycol) et d'un dérivé dichlorés portant une fonction réticulable [Alloin1~2]~ la réaction s'effectue en l'absence de solvant par le mélange à température ambiante des deux composants en présence d'une base forte comme KOH, suivit d'étapes de purifi~ ation du polymère.

Pour en terminer, signalons qu'il existe un intérêt potentiel pour les électrolytes à anions greffés, desquels on attend de nets améliorations sur la cyclabilité et les performances en puissance des batteries à électrolytes polymères INeWrnan~Annand5l. En effet, un tel électrolyte permet d'éliminer les gradients de concentrations de l'anion et du cation dans l'électrolyte polymère, et devrait entraîner, en particulier, une diminution de la dégradation des différentes interfaces présentes dans les b~tte-ries à électrolytes polymères.

II-3-2 Les ar~ions ~ . L:

Il-3-2-1 Présen~rfiQn générale:

Fan~ille du TFSVTFSM: A l'heure actuelle, le LiTFSI permet d'obtenir les électrolytes polymères présentant les meilleures performances tant du point de vue de la conductivité, de la stabilité
électrochimique, ou de la crict~llinité du polymère (ou de son caractère amorphe pour les polymères non-crict~llic~bles). Aussi, il est important de préciser les propriétés physico-chimiques des sels de la famille du TFSI, les données propres à celui-ci étant m~lheureuseluent réduites nous nous référerons plutôt aux informations disponibles sur les sels de la famille du bis(trifluorom~~h~n~sll1fonylméth~ne) commun~m~-n~ symbolisé par les initi~les TFSM, les deux sels pr~'sent~nt des similarités importantes de sl~ u.~. En effet, on peut considérer d'un point de vue formel que les anions de la famille des imides ou des m~th~nes ~icubstitués r~sulten~ de l'~dition d'un radical élecllophile respectivement sur le radical nucléophile N3- ou HC3-, comme le montre la figure 3.14, et ce de façon similaire à la famille des anions dérivant de l'oxanion 02-.

e N--C--C--C9N N_C ~--C_N
N_C+ H
C3- e e CF3--ICI+ + CF3--C--C--C--CF3 CF3--C--N--C--CF3 o N O H O ~ ~
+ e G ~3 G

- ~ H ~ ~ ~1 Anions de la tamille Anion~ de la famille du TFSM du TFSI
Figure 3.14: Anions de la famille des imides et des mé~hanes ~/is~hstit~Jé.s.
Contrairement à cette dernière f~mille, le centre anionique portant la charge ne dérive pas d'un atome non-polarisable "dur" comme l'oxygène mais d'atomes polarisables "mous" (carbone ou azote), il en résulte que les anions sont mieux solvatés par les solvants aprotiques dipolaires puisque la charge est d'une part plus facile à disperser, et d'autre part délocalisée par deux radicaux éle~tl~philes au lieu d'un. Comme preuve de ce concept, il est possible de citer l'exemple des anions dérivant du radical méth~nes-llfonyle (R=CH3SO2), le bis(méth~ne~ulfonimide) de lithium est soluble dans le POE contrairement au sel de lithium de l'acide méthanesulfonique [Cherkaoui]. De plus, le sel de lithium du TFSI est très soluble dans la plupart des solvants organiques, on obsene une solubilité non négligeable de 63% en poids d'extrait sec, et ce même dans l'éther 13M], malgré le faible nombre accepteur de ce solvant (AN = 12,5).
On peut noter que pour les anions de la famille du TFSM, on retrouve ainsi les anions courants en chimie organique que sont l'anion du malononitrile (de formule (CN)2CH2), et l'anion de l'he~fl~oroacétylacétone (de formule (CF3CO)2CH2). Dès lors, on peut s'intéresser à l'étude de ces anions suivant une lecture "horizontale" de cette figure, c'est à dire à l'influence de l'atome central sur les propriétés des anions, ou bien à une lecture "verticale" permettant de préciser l'influence du groupem~nt électrophile sur les anions. Intéressons-nous en premier lieu à cette dernière possibilité, dans le cas particulier des anions de la famille du TFSM, une étude complète du pKa de leur acide conjugué et de leur stabilité électrochimique étant disponible dans la littérature.

Nous avons indiqué dans le tableau 3.5 le pKa de différents acides de la famille des méthanes .lisukstitl.~s (de formule générique R2CH2) et le potentiel d'oxydation des anions en dérivant, dans le DMSO [~ l, ces dernières valeurs données par rapport à l'électrode normale à hydrogène dans le travail cité sont ~écal~es ici de 3 Volts afin de les référencer à l'électrode de lithium (le potentiel d'oxydation de l'anion du TFSM étant supérieur au potentiel d'oxydation du DMSO, celui-ci est d~termin~ dans l'acétQnitrile).

~ 21q4127 Tableau 3.5 pKa et p-,lerltiel d'uAy:l~tion d'an- e ns de la famille du TFSM dans le DMSO (excepté ~ CH3CN).
R SO2CF3 CN SO2Ph COCH3 COPh SO2CH3 CO2Et pKa 2,1 11 12,2 13,3 13,4 15 16,4 Eox(A~)** 5,35* 3,81 4,09 3,76 3,78 4,08 3,73 ~~ po~enliel d'oxydation vs. Li+/Li~.
L'inllucnce d'un substi~u:ln~ sur les propri~es physico-chimiqu~s d'un~ mol~cule, et ~., par~i~ulier ... . . .... . . . ..
sur l ~cldl~ peuL s~ mesurer p;lr les ul~l~ren~s coelllelenls a~ ~unm~tt c~ OUS ~lons ~n~vement rappeler le sens de ces coefficients à partir de l'exemple de l'acide benzoique et de ses dérivés, comme l'illustre la figure ci-contre, qui est à l'origine des premiers travaux les concernants [March].
L'étude de l'ionisation de l'acide benzo-ique dans l'eau, substitué en méta ou en para, a permis de formuler l'équation de ~mmett que nous XP~-8 OH
avons eyrrim~ ici en terme de pKa telle que ~pKa= p~ par rapport à ~/
l'acide benzoique non-substib~ La constante p mesure la susceptibilité xm de l'acide benzoique aux effets électriques induits par les substitu~nts pKa(Xj) = pKa(Xj=H) - P~
par résonance ou par effet inductif, afin de fixer une référence on ÉQUATION DE HAMMETT
prend p = 1 dans ce cas précis. La constante ~ caractérise le groupemP-nt Xj, on distingue en fait la co~.ct~nte <5m pour les groupements substitués en méta et ~p pour ceux sl~bstitués en para. En première approxim~tion, on peut considérer que <~m mesure l'effet induit par induction (attracteur si ~m > 0 et donneur si ~m < 0), et que ~p mesure l'effet cumulé de la résor~nce et de l'effet inductif sur l'ionisation de l'acide. Les v31eurs de ~ étant ainsi définies pour différents groupements, on détermine pour une réaction donnée la valeur de p à l'aide des constantes de réactions pour au moins deux substituants (généralement quatre), permettant alors d'extrapoler à d'autres substituants. L'équation de Harnmett s'est révélée d'une grande valeur en chimie organique permettant d'établir des corrélations pour de nombreuses réactions et groupes fon~tiorln~lc Dans le cas des anions qui nous intéressent plus particulièrement, les groupements dispersants la charge anionique par effet attracteur et par résonance, il est plus judicieux d'utiliser les valeurs de ~p~ développées pour tenir compte de l'interaction possible d'un substituant avec une charge anionique apparaissant dans un état transitoire au cours d'une réaction chimique [Marchl Ils ne nous semblent pas incohérents d'utiliser les ~p~ plutôt que les paramètres de Taft déterminés pour les molécules non-aromatiques [Mask 11], les anions de la famille du TFSM décrits étant très délocalisés et poss~,de~t 4n+2 électrons ~T.

Tableau 3.6 C~ff::-ent de I lal""~tl ~sp~ de différents radicaux attracteurs.
R SO2CF3 CN COCH3 CO2Et ~p- 1,36 1 0,87 0,68 Référence [Fisher] [March] [March] [March]

2 ~ 941 27 -Les résult~tc indiqués sur la figure 3.15 permettent de corréler le pKa avec le ~p~, pour les groupçlnf!nt~ dont la valeur en est donn~s dans le tableau 3.6, et ainsi de déterrnin~r une valeur de p = 21,3 d'après l'équation:
pKa=31,5-21,3csp~
Cette v~leur est particulièrement élevée, en premier lieu par rapport à celle obtenue pour l'acide benzoique dans le DMSO [~ordwell3] (p - 2,4), mais plus généralement vis à vis des phenols ou de dérivé du phénylmalononitrile dans le DMSO [E~ 1 pour lesquels 4 < p < 6, elle traduit la facilité
avec laquelle les anions de la famille du TFSM dispersent la charge anionique. Étant donné qu'il n'existe pas de règle générale permettant d'additionner les contributions res~ec~ es ~\COOE~ I ~ I I 1 de deux substituants sur un substrat 15 - \ I R CH ¦ ~
donné IMa~hl, on peut critiquer la valeur de ~ 1 2 ~h3~ 1 2 2 p obtenue référant à une double ~ \~CN
substitlltio~ Cepen~n~ la symétrie de la c 9 ~
molécule et l'identité des deux ~ 6-substituants, permettent de penser que la c~ \
valeur de ce paramètre caractérise bien la 3 CF3 dispersion de la charge par les o l l l l l l l substituants au sens de l'équation de o, 6o, 7 o, 8 0, 9 1 1, 11, 2 1, 3 1, 4 Hammett. Par contre, il n'est pas possible P
Figure 3.15: Influence dugroupementattracteursurlepKa d'établir une corrélation linéaire entre le des anions déloç~lisés dérivants des méthanes disubstitués.
potentiel d'oxydation de l'anion et les valeurs de <7p- ou le pKa, dans le cas présent, et ce du fait des effets antagonistes des groupements attracteurs. Ceux-ci peuvent disperser la charge anionique, contribuant à diminuer la basicité de l'anion, mais ég~lPment stabiliser le radical formé suite à l'oxydation de l'anion, et ainsi diminuer la stabilité de la liaison carbone-hydrogène, comme l'illustre la figure 3.16 avec l'exemple de ~-pyridinium acétonitrile.

~\N+ E3 ~N Oxydation > Q~C--~N ~ S~ ~' ~'icn ~ ~N+ C~N
~/ H \~ H par résonance ~ H
- Figure 3.16: Effet de la stabillisation des radicaux sur l'oxydation de o~-pyridinium acétonitrile.
En effet, la conn~ics~nce du pKa de l'acide et du potentiel d'oxydation de l'anion, dans le DMSO, permet de calculer l'énergie de dissociation de la liaison (EDL) C-H l30rdwel~], suivant la relation:
EDL(kcal/mole) = 1,37 pKa + 23,06 Eox(A-) + 56 Cette relation est en fait issue du couplage de deux équilibres correspondants à la rupture homolytique de la liaison C-H de l'acide HA, soit la dissociation de l'acide suivie de l'oxydation de l'anion. Si l'on co~si-lère les anions de la famille du TFSM comme r~s~ nt de la substitution s~lccessives de deux des atomes d'hydrogène du m~th~ne par un groupement accepteur, l'on peut m~inten~nt s'il~ ,sser à l'infll~ence de ces s~lbstitutions sur l'énergie de dissociation. Nous avons lCgl'UU~)e à cet effet dans le tableau 3.7, les énergies de ~ soci~tion~ pour les acides correspondants respectivement à une et deux substitutions par un même groupement attracteur X. Le méthane p~ u~ t une énergie de ~issoci~tion de 105 kcaVmole, on peut obse.~er une ~ ul;on de cette énergie sous l'effet de la s~lbstitution d'un des atomes d'hydrogène. Cette écart correspond en fait à
l'énergic de s~bilisation du radic~ (~SR) dc XCH2~ rcla~ivement à CH3-.
Tableau 3.7 l~nergie de ~ li,so~ on de dérivés mono et dis~ ~hsti~llés du méthane (en kcaUmole).

X EDL ESR ¦ BDE ~ESR ~ (ESR) CN 93 +12 90 +3 +15 SO2CH3 99 + 6 100 - 1 +5 SO2Ph 99 + 6 98 + 1 +7 SO2CF3 103 +2 113 -10 -8 CO2Et 95 + 10 95 0 + 10 COCH3 94 + 11 92 + 2 + 13 COPh 93 + 12 92 -1 + 11 NO2 98 +7 Les résultats pour la première subst~ iQn montrent que les groupements capables de délocaliser les électrons libres (CN, CH3CO, PhCO) af&iblissent la liaison C-H de 10-12 kcaVmole, par contre les groupemerlt~ sulphonyles attracteurs essentipll~ment par effet indllctif stabilisent peu les radicaux, de 2-6 kcaVmole. Cependant, il faut noter que la valeur de cette énergie de stabilisation n'est pas une constante propre à chaque groupement, mais dépend de la molécule 0, 6 ~~ ~F
sur laquelle s'effectue la substitution. 0,5- \3 IPhCH2so2G¦
Ainsi, si le groupement PhSO2 dans I o 4_ l'espèce PhSO2CH3 stabilise le radical de g 0 3
5,,,, 2 ¦ Phend ¦ ¦Phenol ¦
~ _ O ~ ~ PeaU = 2 ~ 2 ~ 1 ~
"5 ~ _ ~ () e ~ u '3 ~ J j ~

aGE ~ u ~ Pd 5.3 I, ~ / = DMS0 '~ dmso Z -gas p --12.3 ~ G) dmo 0 ~ 96 -1 5 '''' -3 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 ~ 4 -3 -2 -1 0 1 2 ~ 5 HQ ~ (kcal / mole) Figure 3.8: Influence of sllhct; tl ~ A ~ 7t on ~ G Figure 3.9: Fraction of enthalpy in energy ion; sdti ~ n phenol and this in various media. of ionisdti ~ n of phenol in water and in DMSO.
All this shows us the difficulty of comparing the anion acidity from one medium to another, and even in the same medium, both the structure of the anion and the nature of the solvent play a role in the balance ionization. However, there is a qualitative rule to remember: an anion whose charge density is important is more acidic in water than in an aprotic solvent, an anion whose charge is dispersed is more acidic in an aprotic solvent than in water. Information we have on the referent anions m ~ lh ~ urellsçm ~ nt just as well to spectroscopic measurements or potentiometric, in aqueous or partially aqueous medium, in DMSO, or in phase ga ~ use. As we will see later, this explains the difference obtained between the different values of the literature, and the caution necessary in their uses. The problems we have just exposed for the determination of the acidity of an anion only reinforce the interest that we are concerned with the concept of anion donor numbers and the methodology for accessing to this parameter. Since the measurement is made from the tetrabutylammonium salt, it is possible to measure the DNX ~ V for both very strong acids and for strong bases, ie on at least 30 pKa units. This concept, if it is extended to other anions, will be cert ~ inem ~ n ~ a tool of great value for the compr ~ h ~ nsion of salt-solvent interactions.

-II-3-1-3 Interac ~ ons salts-polymers:

If we are now interested in polymers [A ~ and2-51, the presence in the chain hetero ~ tomes (Y, N, P, S ...) having free electronic doublets, allows interactions with cations, their conferring thus solvating properties. It was known that the oligomers of the glymes family (n <20) solvate ~ i ~ ment the cations, CH3O (CH2 ~ H2 ~) nCH3 1 ~ flexibility of the molecule allowing the atoms ~ O, ~ O ~
GLYMES of oxygen to orient themselves so as to complex them by ~) the interm ~ re of the chelate thus formed. Indeed, like the CH ~ LATE
shows the figure opposite, we thus obtain a five-atom ring known for promote the formation of stable complexes. This mechanism extends to polymers of high m ~ cses, in particular poly (ethylene oxide), or POE, of monomeric unit (CH2-CH2-O); of similar to the glymes, the flexibility of the chain allows it to adopt a configuration in propeller favorable to the solvation of cations. According to this hypothesis, the electronic doublets of oxygen atoms facing the inside of the propeller are placed in a structure close to that of crown ethers, the solvation of cations by POE is thus favored by the entropy of resulting configuration. This parameter clearly differentiates POE from aprotic solvents dipolar, and explains its exceptional solvating power with respect to cations, and lithium in by ~ iculier. We can estimate, from the values obtained on the glymes, that the donor number of the POE is at least 22, this value being probably higher due to the proximity imposed solvating patterns; the ANpoE can be estimated at ~ 10. We could also define an apparent donor number (DNapp) of the POE integrating the entropy factor, knowing that solubilizes lithium chloride to give very poorly conductive electrolytes, we can assume that the DNapp is close to the donor number of Cl- in a solvent of AN ~ 10 ILiner ~], we We therefore arrive at an estimate of the DNapp close to 40. It is possible to ~ csimile, from a point of formal view, poly (ethylene oxide) to a very viscous non-hydroxylic solvent having a degree of order important at the microscopic level (where in this sense it would be closer to water).
Figure 3.10 illustrates sclléma ~ uement the difference between the modes of conduction of ions respectively in liquid medium, and in polymeric medium [Almal ~ d31.

S ~ lu ~ ions lig ~ la ~. Poly. "~, ~ S ~ is ... es lr nS, ~ G. l of solvate ions ~ Ss of solvatdtlon / desolv '- ~ ion Figure 3.10: Comparison of ", éoan; _." Es of conduction between cls ~ b ~ your liquids and él ~ t ~ ul ~ tcs po / ~ ", er ~ s according to [Arrnand3 ~.

21 9 ~ 1 27 Thus, con ~ e-llent to liquids, for which the mechanism of ion transport ~ involves the displ ~ cem ~ nt solvated ions by solvent molecules, cations propagate in passing from one propeller to the other following a m ~ C ~ nism of solvation / desolvation in the POE, the anions located outside the chain, hence the qu ~ lifi ~ tif of stationary solvent.

Before det ~ iller further characteristics specific to polymer electrolytes, POE being a aprotic solvent, during prelni ~ res studies on baL ~ erics ii eleclloly ~ es pulymeles, it was considered using hard localized anions such as CF3SO3-, Cl04-, or coordination anions fluorinated as BF4-, for the synthesis of lithium salts. Unfortunately, these anions exhibit major drawbacks for this application:

~ The fluorinated coordination anions result from the action of the base F- on the Lewis acid AFn, thus BF4- corresponds to the acid-base balance: BF3 + F- ~ BF4-. Because of the pol ~ ris ~ nt power of Li + and the significant reticular energy of LiF, the equilibrium may have been shifted to the left, results in degradation of the electrolyte, linked to the cutting of the POE chains by BF3 lchabasno ~ Robitailbl ~ PF6- and AsF6- have similar behavior. In addition, the presence of arsenic in the AsF6 anion poses problems as to its tOXiCitf ~.

~ The chemical instability of perchlorate involves risks of unpredictable explosions during its handling. It is difficult to im ~ iner the handling of large quantities in a industrial process, recent unsuccessful trials on this have only confirmed what was so known for a long time [Picotl.

~ In batteries with liquid electrolytes, the reactivity of the fluors of the CF3SO3 anion with respect to metallic lithium limits its use to primary systems. In a polymer environment, the various reaction products on lithium create a thin layer of a solid electrolyte [Bélangerl stabilized mechanically by the polymer, limiting the reduction of anions by avoiding their contact with the lithium metal. However, as we will specify later, the phase diagram unfavorable lithium triflate involves working ~ mlont batteries at a temperature high [~~ '~ 21 (~ 130 ~ C) to obtain a pui ~ s ~ nce slJffls ~ nte, leading in particular to a lower chemical stability of the POE with respect to lithium.

The anions originally used for lithium batteries with electrolyte F ~ E3 ~ F
liquid is not conducive to the development of batteries with electrolyte FF, C ~ F
polymer, it quickly appeared the need to find anions specific to these AN1OON OF TFSI
latest systems. This led to the use of bis (trifluoro-méth ~ neslllfo ~ imi ~ le) of lithium (LiTFSI) whose formula we give above, and whose interest has been confined for more than ten years as part of the development of ACEP bats.

. .
Compared to the anions previously considered, the TFSI has different advantages, and between others: to be non-explosive, to contain only covalent bonds, gar ~ ntiCs ~ n ~ thus its stability in the presence of POE, and as we will specify, to improve the properties of electrolytes.

Independent of the problems posed in terms of application, if one is primarily interested in physical properties of POE, lc polymi ~ re, derived from polym ~ ris ~ lion of oxide of ~ 1ylene, present ~
a regular and symmetrical structure which gives it a semi-crict character ~ llin Properties POE thermals stabilize from a molar mass> 104 g / mole (i.e. -230 units monomers), it is of course obvious that this value is greater than the entanglement threshold of POE chains (~ 3.103 g / mole). Under these conditions, the POE melting temperature stabilizes at ~ 65 ~ C (for T> Tf the POE is amorphous), below this temperature the polymer is composed of a mixture of a crystalline phase (in the form of spherulites) and an amorphous phase, the high rate of entanglement preventing all chains of crict ~ llicer. At a temperature of 25 ~ C, the crystalline phase occupies ~ 60% of the volume of the polymer, which leaves a part not negligible amorphous phase. In the presence of a solute, the POE tends to form complexes cri.ct ~ lli.c ~, c (OR solvates) and defined stoichiometry, different stoichiometry are known for complexes with light alkins (Li, Na), essentially: 6: 1, 3: 1, 2: 1, 1: 1, complexes 4: 1 and 8: 1 are more common with heavy alkalis (K, Cs). Just like a mixture solvent-solute, the physical state of the POE with its different solvates is described by a diagram of phase, the liquidus-solidus distinction specific to a liquid medium is made here between crist: -llines and the amorphous phase, considered as a liquid from the thermodynarnic point of view. We observe a once again a similarity with liquid media, the phase diagram of the POE / NaI mixture being similar to that obtained with the H20 / NaI mixture, the two diagrams being simply offset by approximately 70 ~ C, which corresponds approximately to the melting difference / ~ Tf = 65 ~ C
between the two solvents. We present on ~ lgure 3.11, the POE-salt phase diagrams for the following lithium salts: LiCF3S03, LiC104, LiTFSI [Valléel, Annand3] and LiASF6 [Robitaille]
250 64 32 16 10 6 3 2 1 EO, 'Li 300 32 16 ~ 4 4 3 2 1 EOIU

200 PEO-LiN (SO2CF3) 2 i 250 PEOLiCI04 f 150-:
~, 100 -, ~ _ 200 t_150- "
f ~
- ~, ~ Tg 50 ~
.00.2 0.4 0.6 0.8 0.0 0. 2 0. ~ 0.6 0. 8 Ponderale in salt F ~ ponderale in salt 2 1,941 27 64 ~ 16 8 4 3 2 1 EO / Li 350 ~ 200 300. PEO LiCF3S03 PE0-LiAsF6 250 ~ 150 -": ~
t 200 : ~ 100-150 ~ E

"""
0. 0 0.2 0.4 0. 6 C. 8 0 0.2 0.4 0.6 0.8 rr ~ 1ion porderaJe in salt Weight fraction in salt Figure 3.11: Didylailulle phase of mixtures of LiCF3SO3, LiTFSI, LiC104 with PEG3400, after ~ Armand3] and Li4sF6 with POE 5M, after [J ~ ~. 'lel.
In all cases, between the pure solvent (POE) and the stoichiometric salt concentration solvate the weakest, systematically exists a eutectic whose melting occurs at a temperature lower than that of the two cot-ctit ~ l ~ nts The phase diagram with the triflate differs from three others by the absence of the 6: 1 composition lower melting point complex, this shifts the eutectic composition towards low salt concentrations, it is generally accepted that the non-existence of this solvate is linked to the asymmetry of the anion, it would then be only about the influence of a geometric parameter on the phase diagram. The reverse rule is not always verified, despite the symmetry of BF4- the phase diagram of the POE-LiBF4 mixture does not has no solvate of composition 6: 1 but 3: 1 ~ When this exists the temperature of fusion of the solvate of composition 6: 1 strongly depends on the following anion:
Tf (CF3SO2kN ~ <Tf Cl04- <Tf AsF6-The melting temperature thus goes from 136 ~ C for AsF6- to z 50 ~ C with the TFSI anion, i.e. a gain of about 85 ~ C The decrease in the melting point between perchlorate and hexafluoroar.sé ~ t ~.
can be explained by the structure in which cri.st ~ 11i.ce the anion, the hexafluoroarsenate by its octahedral geometry, cri.ct ~ llise in a more compact structure, and therefore of higher energy reticular than perchlorate. The large volume of the TFSI anion and the existence of interactions orbital "7 ~" dp in the SNS bond (similar to the Si- ~ Si structure in siloxanes), indlli.c ~ nt significant flexibility of the molecule, may explain the low melting point of complex 6: 1. In addition, the difference between the temp. ~ 6: 1 melting lule of the complex for perchlorate and for TFSI ~ Tf ~ 15 ~ C lV ~ Iée11 ~ is similar to the difference in the melting temperature of the two salts of lithium ~ Tf = 251 - 234 = 17 ~ ClVallée ~ l, which tends ~ col-fi. ". ~ .r the inflllçnce of the structure crist ~ llinP.
lithium salt on the melting point of the complex.

~ - 21 941 27 Knowledge of the phase diagram is essential for understanding the results of conductivity, in fact, only the amorphous phase allows appreciable mobility of the cations.
~; ssçnti ~ m ~ nt two equations represent the evolution of conductivity with temperature:
Arrhenius law and the so-called free volume law. Arrhenius' law usually makes it possible to account of the evolution of con ~ uctivity ~ as a function of t ~ m ~ lalulc ~ in a liquid or in a ionic solid (glass, ~ AgI ...), where it is assumed that the m ~ C ~ nism of displ ~ cem ~ nt causes the sau ~ active of a barbar of polcnLiel by the ions, it is expressed by the equaLion:
~ = ~, exp (-Ea / RT) In this equation Ea represent the activation energy. It also applies to the conductivity of salt-POE mixtures below their melting point, and reflects the evolution of the conductivity in the amorphous phase in which the crystalline phase gradually dissolves. Energy of high activation is then connected to the free enthalpy of fusion of the crystallites in the phase amorphous. Above the melting point determined by the phase diagram, even if the electrolytes are composed of a homogeneous arnorphic phase, two cases occur according to the anion:

~ Lithium salts derived from a symmetrical anion and give ~ 6: 1 low point complex fusion, like LiTFSI or LiCl04 follow a free volume type conductivity law, one of which expressions is given by the Vogel-Tamman-Fulcher equation (VTF):
c ~ = A / ~ IT exp (-Ea / (T-TO)) This equation assumes that the diffusion of the species depends on the disordered local movements in the middle, it involves three parameters (while Arrhenius' law only depends on two): the term To represents the ideal glass transition temperature, the term pre-exponential A is proportional to the concentration of free charge carriers, the term Ea is a term of activation pseudo-energy. This equation generally describes the behavior of electrolytes in an amorphous state, like the POE-salt mixture above Tf, OR the mixture of a salt with a electrolyte non-crict ~ llic ~ ble, such as poly (propylene oxide) or POP. It should be noted that the kinetics of recrystallization ~ llic ~ tion of the POE-LiTFSI mixture, for the eutectic composition (several days), being slow on the time scale of the conductivity measurements, the evolution of the conductivity follows a law of the free volume type even at low temperature.

~ Dorln lithium salts ~ nt a complex 6: 1 or 3: 1 p ~ se ~ nt a high melting point, as LiAsF6, LiBF4 or LiCF3SO3 (Tf comple% e> l3ooc) ~ or in other words with high reticular energy, still obeys a law of Arrhenius but with less activation energy. We have summarized these notions in figure 3.12.

~ 1,941 27 Tf ~ Tf ~~
~ _ ~ _ ~ _ ooo ex: POE / LiAsF6 ex: POE / LiCI04 ex: PPO / LiTFSI
1 / T 1 / T l / T
Arrhenius T ~ Tf A "l enins Free volume Figure 3.12: Typical law of evolution of conductivity as a function of temperature.
The ideal glass transition temperature of the VTF law defines that where the excess of entropy of configuration of the polymer is canceled, this value can be obtained by extrapolation from the conductivity measurements. In practice, one rather reaches the glass transition temperature Tv by calorimetric or spectroscopic measurements like NMR. For electrolytes polymers, we can estimate as a first approximation that TV-To - 50 ~ C, the difference is explained by the fact that To is a thermodynamic parameter specific to the polymer, whereas Tv is a parameter kin ~ tique depends ~ nt on the system observation time scale (~ 100 s in DSC to 10-6 s in NMR). When a salt dissolves in the polymer, the concomitant introduction of strong electrostatic interactions induces conformation restrictions on the chains which result by an increase in the glass transition temperature. Table 3.4 shows the influence of the anion on the variation of Tv with the concentration of lithium salt LiX [A ~ and3].
Table 3.4 Variation in the glass transition of the POE with the lithium salt content.
Litl salt, iul .. LiBPh4 * LiSCN LiCl04 CF3SO3Li LiTFSI
aTV / ~ Csel (~ C / mo%) 6.7 3.8 4.2 2.8 2.8 ~ from [Vallée2].
The nature of the anion notably influences the variation of the glass transition temperature, according to these res ~ llt ~ tS, it is minim ~ for anions incorporating the triflyl group (CF3SO2).
It is likely that the effect comes mainly from the presence of the CF3 group, its very hydrophobic character reducing the interactions between the anion and the hydrophilic polymer. These measurements are effe ~ killed by rapidly soaking (~ -300 ~ C / min) a molten sample of electrolyte, this is possible up to 40% by mole of LiTFSI in the electrolyte, on the other hand with the triflate of lithium from ~ 15% by mole, the electrolyte recri.ct ~ llise immediately ~ t The flexibility of the anion TFSI gives it pro ~ t ~ s pl ~ stifi ~ ntes on the chains of POE which reduce net ~. ~ slow rewriting speed ~ t ~ qtion of electrolytes.

2 ~ 941Z7 Even if the POE is the polyether pr ~ sçnt ~ nt ~ tllçll ~ m ~ nt the best solvating power with respect to cations, it has the disadvantage of being semi-crict ~ llin To overcome this problem, derivatives POE non-crist ~ llic ~ bles have been developed. One of the ways to limit, or eliminate the crict ~ llinit ~ of the POE is to break the regularity of the chain by the introduction of point defects, e ~ çh ~ nt thus the chains to fold back to form cri.ct ~ llit ~ s We will limit ourselves to two examples of such polymers. One of the possibilities is to copolymerize in a reactor, by catalysis coordinated type Vandenberg [Alloin1] OR by polymerization anioni ~ read [Allcin1], the oxid ~ of Eillylella with epoxies carrying a lateral go-lpe ~ nt. We also introduce allyl-glycidyl ether units allow ~ nt to improve the mechanical strength of the material by crosslinking. More recently the extension of the reaction of Willi ~ mcon of formation of ethers to the synthesis of polyethers [800th, Alloin1,2l, a made it possible to avoid the manipulation of toxic gaseous monomers and thus to simplify their synthesis.
The most interesting synthesis process uses the conduction of poly (ethylene glycol) and a dichlorinated derivative carrying a crosslinkable function [Alloin1 ~ 2] ~ the reaction is carried out in the absence of solvent by mixing the two components at room temperature in the presence of a strong base like KOH, followed by steps of purifi ~ ation of the polymer.

To conclude, let’s point out that there is a potential interest for electrolytes with grafted anions, which we expect significant improvements on the cyclability and power performance of INeWrnan ~ Annand5l polymer electrolyte batteries. Indeed, such an electrolyte eliminates the gradients of anion and cation concentrations in the polymer electrolyte, and should result, in particular, a reduction in the degradation of the various interfaces present in the b ~ heads with polymer electrolytes.

II-3-2 Ar ~ ions ~. L:

Il-3-2-1 General presentation:

Fan ~ ille of TFSVTFSM: At present, LiTFSI allows to obtain polymer electrolytes having the best performance both from the point of view of conductivity, stability electrochemical, or the crict ~ lineage of the polymer (or its amorphous nature for polymers non-crict ~ llic ~ bles). Also, it is important to specify the physicochemical properties of the salts of the TFSI family, the data specific to it being m ~ lheureuseluent reduced we we rather refer to the information available on the salts of the family of bis (trifluorom ~~ h ~ n ~ sll1fonylméth ~ ne) common ~ m ~ -n ~ symbolized by the initi ~ TFSM, both salts present significant similarities of sl ~ u. ~. Indeed, we can consider from a point of formal view that the anions of the family of imides or m ~ th ~ nes ~ icubstitués r ~ sulten ~ de the ~ edition of an elecllophilic radical respectively on the nucleophilic radical N3- or HC3-, such as shows figure 3.14, and in a similar way to the family of anions deriving from the 02- oxanion.

e N - C - C - C9N N_C ~ --C_N
N_C + H
C3- ee CF3 - HERE + + CF3 - C - C - C - CF3 CF3 - C - N - C - CF3 o NOHO ~ ~
+ e G ~ 3 G

- ~ H ~ ~ ~ 1 Tamil Anion ~ Family Anions TFSM of TFSI
Figure 3.14: Anions of the family of imides and mé ~ hanes ~ / is ~ hstit ~ Jé.s.
Unlike this last f ~ thousand, the anionic center carrying the charge does not derive from a non-polarizable atom "hard" like oxygen but polarizable atoms "soft" (carbon or nitrogen), it follows that the anions are better solvated by the dipolar aprotic solvents since the charge is on the one hand easier to disperse, and on the other hand delocalized by two radicals éle ~ tl ~ philes instead of one. As proof of this concept, it is possible to cite the example of anions derived from the meth ~ nes-llfonyl radical (R = CH3SO2), the bis (meth ~ ne ~ ulfonimide) of lithium is soluble in POE unlike the lithium salt of methanesulfonic acid [Cherkaoui]. Of plus, the lithium salt of TFSI is very soluble in most organic solvents, we observe a non-negligible solubility of 63% by weight of dry extract, even in 13M ether], despite the low acceptor number of this solvent (AN = 12.5).
It can be noted that for the anions of the TFSM family, we thus find the common anions in organic chemistry that is the anion of malononitrile (of formula (CN) 2CH2), and the anion of he ~ fl ~ oroacetylacetone (of formula (CF3CO) 2CH2). Therefore, we can be interested in the study of these anions following a "horizontal" reading of this figure, ie to the influence of the central atom on the properties of anions, or on a "vertical" reading allowing to specify the influence of groupem ~ nt electrophilic on the anions. Let’s first look at this last possibility, in the particular case of the anions of the TFSM family, a complete study of the pKa of their acid conjugate and their electrochemical stability being available in the literature.

We have indicated in Table 3.5 the pKa of different acids of the methan family .lisukstitl. ~ s (of generic formula R2CH2) and the oxidation potential of anions deriving from it, in DMSO [~ l, these latter values given with respect to the normal hydrogen electrode in the cited work are ~ shell ~ es here of 3 Volts in order to reference them to the lithium electrode (the oxidation potential of the TFSM anion being greater than the oxidation potential of DMSO, this is d ~ termin ~ in acétQnitrile).

~ 21q4127 Table 3.5 pKa and p-, uAy lerltiel: l ~ tion of years from the TFSM family in DMSO (except ~ CH3CN).
R SO2CF3 CN SO2Ph COCH3 COPh SO2CH3 CO2Et pKa 2.1 11 12.2 13.3 13.4 15 16.4 Eox (A ~) ** 5.35 * 3.81 4.09 3.76 3.78 4.08 3.73 ~~ po ~ oxidation enliel vs. Li + / Li ~.
The inucucibility of a substance: on the physico-chemical properties of a molecule, and, by ~ i ~ ulier ... . ..... . . ..
on the ~ cldl ~ peuL ~ measure p; lr ul ~ l ~ ren ~ s coelllelenls a ~ ~ unm ~ tt c ~ OUS ~ lons ~ n ~ vement recall the meaning of these coefficients from the example of benzoic acid and its derivatives, as illustrated in the figure opposite, which is at the origin of the first works concerning them [March].
The study of the ionization of benzoic acid in water, substituted in meta or para, allowed to formulate the equation of ~ mmett that we XP ~ -8 OH
we have eyrrim ~ here in terms of pKa such that ~ pKa = p ~ compared to ~ /
non-substib benzoic acid ~ Constant p measures susceptibility xm benzoic acid with electrical effects induced by the substituents ~ nts pKa (Xj) = pKa (Xj = H) - P ~
by resonance or by inductive effect, in order to fix a reference on HAMMETT EQUATION
takes p = 1 in this specific case. The constant ~ characterizes the groupemP-nt Xj, there is in fact the co ~ .ct ~ nte <5m for groups substituted in meta and ~ p for those sl ~ bstitués in para. As a first approximation, we can consider that <~ m measures the effect induced by induction (attractor if ~ m> 0 and donor if ~ m <0), and that ~ p measures the cumulative effect of the resor ~ nce and the inductive effect on the ionization of the acid. The v31eurs of ~ being thus defined for different groupings, the value of p is determined for a given reaction using the reaction constants for at least two substituents (usually four), thus allowing to extrapolate to other substituents. Harnmett's equation has proven to be of great value in organic chemistry to establish correlations for many reactions and groups fon ~ tiorln ~ lc In the case of the anions which interest us more particularly, the dispersing groups the anionic charge by attracting effect and by resonance, it is more judicious to use the values of ~ p ~ developed to take into account the possible interaction of a substituent with a charge anionic appearing in a transient state during a chemical reaction [Marchl They do not tell us not seem inconsistent to use the ~ p ~ rather than the Taft parameters determined for the non-aromatic molecules [Mask 11], the anions of the TFSM family described being very delocalized and poss ~, of ~ t 4n + 2 electrons ~ T.

Table 3.6 C ~ ff :: - ent of I lal "" ~ tl ~ sp ~ of different attracting radicals.
R SO2CF3 CN COCH3 CO2And ~ p- 1.36 1 0.87 0.68 Reference [Fisher] [March] [March] [March]

2 ~ 941 27 -The results ~ tc indicated on figure 3.15 allow to correlate the pKa with the ~ p ~, for the groupçlnf! nt ~ whose value is given in Table 3.6, and thus to determine a value of p = 21.3 according to the equation:
pKa = 31.5-21.3csp ~
This v ~ is particularly high, firstly compared to that obtained for the acid benzoic in DMSO [~ ordwell3] (p - 2.4), but more generally with respect to phenols or derived from phenylmalononitrile in DMSO [E ~ 1 for which 4 <p <6, it reflects the ease with which the anions of the TFSM family disperse the anionic charge. Since it there is no general rule allowing to add the contributions received ~ COOE ~ I ~ II 1 of two substituents on a substrate 15 - \ IR CH ¦ ~
given IMa ~ hl, we can criticize the value of ~ 1 2 ~ h3 ~ 1 2 2 p obtained referring to a double ~ \ ~ CN
substitlltio ~ Cepen ~ n ~ the symmetry of c 9 ~
molecule and the identity of the two ~ 6-substituents, suggest that the c ~ \
value of this parameter characterizes 3 CF3 well charge dispersion by olllllll substituents within the meaning of the equation of o, 6o, 7 o, 8 0, 9 1 1, 11, 2 1, 3 1, 4 Hammett. However, it is not possible P
Figure 3.15: Influence of the attractor group on lePKa to establish a linear correlation between the delocalized anions ~ derived from disubstituted methanes.
oxidation potential of the anion and values of <7p- or pKa, in this case, due to the antagonistic effects of the groupings attractors. These can disperse the anionic charge, helping to decrease the basicity of the anion, but eg ~ lPment stabilize the radical formed following the oxidation of the anion, and thus decrease the stability of the carbon-hydrogen bond, as illustrated in Figure 3.16 with the example of ~ -pyridinium acetonitrile.

~ \ N + E3 ~ N Oxidation> Q ~ C-- ~ N ~ S ~ ~ '~' icn ~ ~ N + C ~ N
~ / H \ ~ H by resonance ~ H
- Figure 3.16: Effect of stabilization of radicals on the oxidation of o ~ -pyridinium acetonitrile.
Indeed, the conn ~ ics ~ nce of the pKa of the acid and the oxidation potential of the anion, in DMSO, allows to calculate the dissociation energy of the link (EDL) CH l30rdwel ~], according to the relation:
EDL (kcal / mole) = 1.37 pKa + 23.06 Eox (A-) + 56 This relation is in fact resulting from the coupling of two equilibria corresponding to the rupture homolytic of the CH bond of HA acid, i.e. the dissociation of the acid followed by the oxidation of the anion. If we co ~ si-lère the anions of the TFSM family as r ~ s ~ nt of the substitution - 2 1,941 27 s ~ lccessives of two of the hydrogen atoms of m ~ th ~ ne by an acceptor group, we can m ~ inten ~ nt if ~, sser to the infll ~ence of these s ~ lbstitutions on dissociation energy. We have lCgl'UU ~) e for this purpose in Table 3.7, the energies of ~ soci ~ tion ~ for the corresponding acids one and two substitutions respectively by the same attractor group X. Methane p ~ u ~ t an energy of ~ issoci ~ tion of 105 kcaVmole, we can obse. ~ er a ~ ul; on of this energy under the effect of the s ~ lbstitution of one of the hydrogen atoms. This difference actually corresponds to the energy of s ~ mobilization of the radic ~ (~ SR) dc XCH2 ~ rcla ~ only to CH3-.
Table 3.7 ~ l ~ energy, so ~ on of mono and dis derivatives ~ ~ hsti ~ llés methane (in kcaUmole).

X EDL ESR ¦ BDE ~ ESR ~ (ESR) CN 93 +12 90 +3 +15 SO2CH3 99 + 6 100 - 1 +5 SO2Ph 99 + 6 98 + 1 +7 SO2CF3 103 +2 113 -10 -8 CO2And 95 + 10 95 0 + 10 COCH3 94 + 11 92 + 2 + 13 COPh 93 + 12 92 -1 + 11 NO2 98 +7 The results for the first subst ~ iQn show that the groups capable of delocalizing the free electrons (CN, CH3CO, PhCO) weaken the CH bond by 10-12 kcaVmole, on the other hand groupemerlt ~ sulphonyles attractors essentially by indllctive effect little stabilize the radicals, from 2-6 kcaVmole. However, it should be noted that the value of this stabilization energy is not a constant specific to each group, but depends on the molecule 0, 6 ~~ ~ F
on which the substitution takes place. 0.5- \ 3 IPhCH2so2G¦
So, if the group PhSO2 in I o 4_ the species PhSO2CH3 stabilizes the radical of g 0 3

6 kcal/mole, le même groupement ~ ~OPh substituant un proton acide dans le ~~ . 2 -toluène, xylène, B-méthylnaph~ ne, O 0,1 - ~H2P~ -NMePh 9-méthylanthracéne, ou le fluoréne O _ -Bu(t) ~ -Me dést~kili~e le radical correspondant de 2 à - 0 ,1 l l l l l l l 6 kcal / mole, the same grouping ~ ~ OPh substituting an acidic proton in the ~~. 2 -toluene, xylene, B-methylnaph ~ ne, O 0.1 - ~ H2P ~ -NMePh 9-methylanthracene, or fluorine O _ -Bu (t) ~ -Me dést ~ kili ~ e the corresponding radical from 2 to - 0.1 lllllll

7 kcaVmole. Par contre, exception faite du 12 14 16 18 2 0 2 2 2 4 2 6 2 8 glou~e.. ~nt triflate, l'effet d'une deuxième pK Db~ de l'acide subs~itn~ion est nivelé par la présence du Figure3.17: Influencedu pKa DMSO surlepot:ntiel d'o~dation, dé~erminé dans le DMSO relativement à l'ENH, premier groupc-llent accepteur, et ce en des acides de la famille PhCH2S02G, d'apres[Bor~ .';21.
particulier pour les sulphonates. L'étude des acides du type PhCH2SO2G confirme ce résultat, l'énergie de dissociation de la liaison C-H

.
étant pratiquement identique, comprise entre 89 et 91 kcaVmole, pour les groupements G de la série: Me, t-Bu, Ph, CH2Ph, NMePh, OPh, et CF3, alors que l'acidité varie ~ 11 unités pKa (soit z 15 kcaVmole). Dans ce cas, on observe une corrélation linéaire entre le potentiel d'oxydation de l'anion et le pKa de l'acide avec une pente proche de l'unité lorsque les deux paramètres sont exprimés en kcal/mole, comme l'illustre la figure 3.17. En fait, cette relation linéaire doit être pr~llle lorsque ~énergie de dissociation n'est pas const~nt~ mais elle est alors perturbée p~r l'effet stabilisant ou déstabilisant des groupements accepteurs vis à vis du radical.
Par contre, le gloupe-llent triflate étant attracteur essentiellement par effet inductif, la deuxième substitution sur le méthane résulte en un accroi~sement de la stabilité de la liaison C-H de 10 kcaVmole, cette liaison étant fin~l~ment plus stable dans le TFSM que pour le méthane. Le groupement trifluorométhanesulfonyle permet de synthétiser des anions peu basiques et particulièrement stables en oxydation. Précisons pour fixer les ordres de grandeurs, que la substitution du groupement méthyle du radical sulfonyle par son équivalent fluoré, permet de gagner z 13 unités pKa~ et d'accroître le potentiel d'oxydation de l'anion de z 1,2 Volts. On peut ainsi concilier les avantages d'une base molle délocalisée favorable à la solvatation en milieu aprotique, tout en gar~ntics~nt un potentiel d'oxydation de l'anion cohérent avec l'application envisagée dans le domaine des b~tteries à électrolytes polymères.

Intéressons-nous maintenant aux anions de la famille des imides, à cet effet le tableau 3.8 rassemble diverses valeurs de pKa permettant de préciser l'influence du centre anionique sur la force de leur acide conjugué. Ainsi, le pKa diminue en moyenne z 9 unités en substituant le carbone par un atome d'azote, on obtient le même résultat en se restreignant à l'acide CF3SO2XHPh qui est le plus proche de nos préoccupations.
Tableau 3.8 Influence du centre an- ~ n ,_e (-N-- ou =C~-) sur le pKa~ relativement au DMSO, de leurs acides cor.,ugués (sauf pour ~ dont les valeurs sont relatives à l'échelle d'acidité dans l'eau).
Acide pKa(X = CH) référence pKa(X = N) référence /\pKa CF3SO2XH2 18,8 [B1 ] 9,7 [B3] 9,1 CF3SO2XHPh 14,6 [B1 ] 5'7 [B3] 8,9 XH3 48~ [March] 38~ [March] 10 Ph2XH 32,1 [B2] 25 [B3] 7,1 (PhSO2)2XH 12,2 [B1 ] 1,4~ [F&D] 10,8 D'autre part, le tableau 3.9 présente l'effet de la substitution sur l'acidité de l'ammoniaque et du méth~ne, comme nous pouvons le constater l'effet des substituants sur leur acidité est essent~ m~nt indépen-i~nte du centre anionique. Tout ceci amène à supposer que l'acidité des anions de la famille du TFSI évolue identiquement à leurs homologues de la famille du TFSM avec la nature des subssibl~nt~ mais avec un ~éc~lage z 9 unités pKa.

...

Tableau 3.9 Influence du centre acide XH sur le pKa des acides RR'XH en dérivant, vis à vis de XH3.
~PKa en référence à XH3 Acide X = CH X = N ~(~PKa)/(~pKa moyen) Ph2XH -16 -13 20%
CF3SO2XH2 -29,2 -28,3 3%CF3SO2XHPh -33,4 -32,3 3%(PhSO2)2XH -35,8 -36,6 2%
Ainsi, conn~iss~nt le pKa du TFSM de 2,1 dans le DMSO, nous pouvons donc supposer que le TFSI devrait présenter un pKa~-7 dans ce même solvant, même si celui-ci est insnffis~mment stable aux acides forts pour envisager de confirmer ce résultat. Identiq~lemçnt le pKa de la forme acide de la bis(cyanoimide), de formule HN(CN)2, serait ~ 2 soit une valeur sensiblement identique à celle du TFSM. A ce stade, ils nous semblent opportun de revenir sur les mesures d'acidité du TFSI présçnt~es lors de l'étude des sels fondus protoniques (Cf II-2), à la lumière de ces résultats et des collcep~ que nous avons introduits précédemm~nt sur les interactions sels-solvants. Le pKa du TFSI dans l'eau de 1,7 Ir~ 5], diffëre donc ~ 8,7 unités par rapport à la valeur estimée dans le DMSO, un tel écart exprimé en terme d'enthalpie libre, d'après la relation ~Gj~ (drnso) ~Gi=2,3RTapKa, correspond à une TFSI ~ H+ + TFSIdifférence d'énergie ~ 12 kcaVmole. L'anion ~Gt~ (TFSI) , ~Gt~ (H+) , , ~Gt~ (TFSI- ) du TFSI étant une base molle très TFSI ~ H+ + TFSI
déloc~lisée, les solvants non-hydroxyliques ~Gj~ (eau) Figure 3.18: Cycle thermodynamique d'ionisation du TFSI.
en sont de mellleures solvants que les solvants hydroxyliques; si l'on suppose que la différence d'énergie d'ionisation (~G;) correspond au gain en terme d'énergie de solvatation en passant de l'eau au DMSO, le cycle thermodynamique de la figure 3.18 permet d'écrire:
o~G;(TFSI) = ~Gt~(TFSI) - /~Gt~(H+) ~ ~Gt~(TFSI-) On peut considérer que l'énergie de transfert du TFSI non dissocié de l'eau au DMSO est négligeable, cette espèce neutre impliquant peu d'interactions électrostatiques avec le solvant, dès lors connaissant l'énergie de transfert du proton de l'eau au DMSO [E~
(~Gt~(H~= -4,5 kcaVmole), on en déduit une énergie de transfert de l'anion du TFSI de l'eau au DMSO aGt~('IFSI-)~-7,5 kcal/mole. Cette valeur est cohérente avec l'énergie de transfert de BPh4- de l'eau au DMSO~-10 kcal/mole, exemple classique d'une base molle délocalisée peu basique, et nous conforte dans l'hypothèse que la valeur du pKa du TFSI dans l'eau n'est pas anorm~lemP-nt élevée, mais traduit seul~m~nt la moindre solvatation de l'eau vis à vis des anions vol.lminellx très déloc~lisés n est ég~l~ment possible d'estimer d'après ces résultats le nombre donneur de l'anion du TFSI dans le dichloroéth~ne, l'énergie de transfert de l'eau à un autre solvant ~ugJnent~nt lin~ ,ent avec le DNX-~dce lune~l, la valeur supposée de ~Gt~('IFSI-) ~ -7,5 kcaVmole correspondrait alors à un DNX-~dce ~ 4. Si ce calcul s'avère exact, l'anion du ~Lj+
TFSI serait moins donneur que BF4- dans le dichloroéthane (DNX ,dce = 6,03), : ~: ~ ~
alors que la molécule contient des doublets libres, portés par les atomes CF3 ~ _ CF3 d'oxygène, donneurs au sens de Lewis, vis à vis du cation Li+ en particulier, EFFET DONN~UR
comme l'illustre la figure ci-contre. Ce résultat pourrait probablement être DE LOXYGENE
confirme par des mesur~s spectroscopiques, à partir du sel de letra-~utyiammoniums du TFSi, et vaiider ainsi les hypo~heses permet~ant d'es~imer ie Dl~TFSI~,dce.

Afin de compléter cette étude sur l'acidité du TFSI, la figure 3.19 illustre l'évolution de l'énergie d'ionisation déterminée en phase gazeuse d'anion contenant au moins un groupement CF3SO2 [Koppell~ en fonction de leur pKa déterminé dans le DMSO ~Bordwell6], sauf pour le TFSI pour lequel la valeur est celle estimée précédemmPnt L'apparente relation linéaire, entre l'énergie (~G/pK )=1 86 ~
d'ionisation en phase g~7euse et le pKa de ces 330 ~ a / ~JNanions, est un el~-mynt qui milite en faveur des O / ~;3 hypothèses ayant permis d'estimer l'acidité du ~-~, 320 CF3~)2N~
TFSI à ~-7 dans le DMSO. Il est bien sur ~ 310 _ ~ )2NHPh évident que celles-ci devraient être confirmés par ~ ~;3N
des études plus poussés, comme par exemple la 300 ~
détermination du nombre donneur de l'anion du 290 TFSI dans le DMSO. D'autre part, à partir des - 1 o - 5 o 5 1 o 1 5 2 o fréquences de vibration caractéristiques du TFSI, PKa déterminés par des mesures spectroscopiques Figure 3-19- ~nergie d'ionisation en phase gazeuse l'on pourrait probablement estimer l'énergie de CF3SO2 en fonction de leur pKa dans le DMSO.
dispersion par les interactions dipôle-dipôle entre les molécules de solvants et la charge anionique portée par l'anion. Une telle approche permet en effet de justifier de la faible basicité de l'anion picrate dans le DMSO [Gunwaldl. L'anion du TFSI est un excellent exemple de chimie propre aux milieux aprotiques dipolaires, tels les électrolytes polymères utilic~n~ le poly(oxyde d'éthylène) comme solvant.

Le TFSI et le TFSM présent~nt une structure similaire, le g~vupel~ent CH étant substitué par un atome d'azote plus électronégatif, justifi~nt ainsi la moindre basicité de l'anion, l'on peut supposer que le potentiel d'oxydation du TFSI devrait être supérieure ~ 530 mV à celui du TFSM, soit une valeur ~ 5,88 V relativement à une électrode de lithillm Cette valeur est proche de celle récemmPnt détPrmin~e en milieu imid~701e fondu ~ 6 Volts relativement à une électrode de lithium ID~mineY].
. .
Dès lors, sous réserve de la validité des hypothèses émises précédemm~nt l'acide conjugué d'une base molle délocalisée présel-t~nt un pKa modérément acide dans l'eau ~1, peut-être un c~ndid~t comme sel de lithium soluble et dissocié en milieu aprotique, tel le poly(oxyde d'éthylène).

._ Ce commentaire justifie en partie l'orientation de nos travaux sur les anions, qui ne ce sont pas focalisés à chercher des acides très forts dans l'eau, comme critère de choix des anions, tant la nature du solvant modifie la dissociation en fonction de la ~ clu.e des anions envisagés.

Ainsi, l'introduction du TFSI en électrochimie élargit le domaine d'investigation pour la synthèse des sels, en vue d'unc application aux batteries au lithium, à la famille dcs bases moll~s delo~illi~e~. Cepe~ L, me~lle ~i l'u~ a~ivn du TFSl d~l~ ~;e~ b~ ries e~l ellVi~ et~ pUi~ piU~
de dix ans, l'ec.ce.ntiel des publications sur le développement de sels référent encore à des dérivés des perfluorosulfonates, ou à la mise au point de mélanges de solvants permettant d'utiliser les sels dérivants des anions de coordination. Ceci ne fait que mettre en avant le peu d'interactions entre l'approche issue de l'électrochimie, et celle issue de la chimie organique; or, il est clair que les concepts que nous avons introduits précédçmment justifiant du choix du TFSI en milieu aprotique trouvent leurs origines dans la chimie organique, et ce pour une application à l~électrochimie La p~sellce d'un proton labile sur le TFSM limite sa stabilité à long terme vis à vis d'une électrode de lithium~ cependant, la possibilité d'effectuer des substitutions nucléophiles sur son carbanion étend les possibilités de greffer une fonction acide sur différents substrats IKoshar~Benrabahl. En particulier, l'addition de CF3SO2F sur le dim~gnésien du TFSM permet de synthétiser le triTFSM, de formule (CF3SO2)3CH, équivalent carbanionique du TFSI. Le TFSI et le TFSM sont ~ct~l~llçm~nt parmi les acides les plus forts connus en phase ga~use IKoPpell~ avec respectivement une enthalpie d'ionisation de 291,8 et 289 kcaVmole. Le POE étant un solvant aprotique dipolaire, la conductivité d'un sel est essentiellement une image de la basicité de l'anion dans ce milieu lorsque l'électrolyte est dans un état entièrement fondu. La conductivité du sel de lithium du TFSI et du triTFSM étant sensiblement équivalente dans le POE IBenrabahl, on peut supposer que les deux anions possèdent une basicité équivalente également en milieu aprotique.

Un de nos buts essentiels étant de trouver des substituts au TFSI reposant sur une chimie plus simple à mettre en oeuvre, nous avons envisagé l'utili~tion d'acides dérivants de substrat cyanés, tels le malononitrile, la cyanamide, et le tétracyanoéthylène. Nous présenterons dans un premier temps une étude bibliographique permettant de préciser la synthèse et les propriétés physico-chimiques de ces sels, et par la suite, les rés..lt~tc obtenus en conducdvité pour certains d'entre-eux. Il peut sembler étrange de s'intéresser à des acides cont~n~n~ des grol.pe-~ ntc cyanés conn~ic~nt leurs instabilités vis à vis du lithillm, en particulier pour l'acétonitrile. Cependant, si l'on s~ 30se que les gloup~~lents cyanés placés sur l'anion considéré participe à la délocalisation de la charge, ceux-ci sont st~bili.céc. Dès lors, il est envisageable d'utiliser des g,oupe...çntc cyanés pour la synthèse de sel, ceci justifi~nt notre intérêt pour les dérivés du malononitrile et de la c~ e~

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Fan~ille des anions dénvants du malononitrile: Le malononitrile, équivalent cyané du TFSM, étant plus basique que celui-ci - 9 unités pKa~ son carbanion est plus nucléophile que celui du TFSM. De ce fait, il est aisé d'en synthéticer de nombreux dérivés par s~lbstit~ltion nucléophile sur le c~rbanion du m~lononitrile par un radic~l électrophile (E), comme l'illustre la figure 3.20. Avec des radicaux perrnett~nt de délocaliser la charge anionique (tels des M(1ic~ aryles, carbonyles, sulfonyles, ou cyanos), l'on obtient des bases molles déloc~li.cées dont les acides conjugués sont relalivement forts. Si nous prenons l'exemple du tricyanométhane, l., ~igu~C 3.21 nGUS montrc que la charge anionique est délocalisée sur le carbone central et par les trois fonctions cyanées, ceci justifiant son pKa ~ -5 [March] relativement à l'eau, inférieur de 16 unités à celui du malononitrile.
c~N c~N c~N C4~N

~N E--C~l ~O~C~ 3N=CC~
C~N
Figure 3.20: Synthese d'anions delQ~AIi~és Figure 321: D,_,~r:,3~n de la charge an ~ e du a partir de l'anion du malononit. :.'e tricy~noi"t:~l,dne par résonance.
Nous aurions pu également considéré l'hexafluoroacétylacétone comme substitut au TFSM, cepen~nt, les M(~ir~n~c électrophiles réagiCs~n~ préférell~iPllPment sur l'oxygène de son carbanion pour former un anhydride mixte lV ~I, il n'est pas envisageable d'en synthétiser des dérivés à
partir de réactions chimiques simples, ce qui en limite grandement l'intérêt. De plus, le tris(trifluoroacétyl) de méthane s'hydrolyse dans l'eau (ou dans l'alcool) à température ambiante en donnant de l'he~fluoroacétylacétone et de l'acide trifluoroacétique [V~ ], ceci est incompatible avec une chimie basique telle que celle propre aux batteries au lithium. En marge des problèmes posés par la synthèse et la stabilité chimique des dérivés de l'hexafluoroacétylacétone, les composés B-dicarbonylés chélatants les cations, et en particulier le cation lithium, il &ut s'attendre à une moindre dissociation de leurs sels de lithium dans le polymère. Notons cependant que cette propriété pourrait-être mis à profit pour le transport du lithium par un mécanisme véhiculaire II P~~"'~ 3], dont le principe est de compenser le faible nombre de transport du lithium (t+ ~ 0,3) dans le POE en le masquant au polymère à l'aide de complex~n~c, permettant ainsi son transport sous forme anionique.

Revenons plus en avant sur la synthèse des dérivés du malononitrile, les dérivés carbonylés du malononitrile s'obtipnnp-nt essentip~llement par acdon d'un carbonyle possé~nt un groupe partant sous forrne d'un chlorure d'acyle[Kemll, d'un cyanure d'acyle[~l~l, d'un azoture d'acyle[7], d'un anhydride U, d'un ester carboxylique ltl sur un sel, le plus souvent de sodium, du malononitrile.
Contrairement aux méthodes précédentes, le diéthyl phosphorocyanidate[JaP1], de formule (EtO)2P(O)CN, en présence d'une base, permet de coupler le malononitrile directPment avec un acide carboxylique. De la même façon, on obtient le tricy~nomé~h~ne par acdon du bromure ou du chlorure de cyanogène sur l'anion du malononitrile 0. É~trangement, le seul exemple à notre conn~isC~rce de sulfonyl malononitrile décrit dans la lillél~tu~, en l'occul,e-lce le tolu~neslllfonyl malononitrile, n'est pas synthétisé par l'action d'un halogénure de sulfonyl sur l'anion du m~lononitnlp~ mais en traitant l'anion du tolu~nesulfonyl acétonitrilP par BrCN [a'lc ~ar~dl Les aryls malonor i~rile5 sont obtenues de la même façon à partir d'anions d'aryls acétoni~riles traités par BrCN ou ClCN a.

Nous avons regroupé dans le tableau 3.10 diverses valeurs de pKa de dérivés du malononitrile par rapport à l'échelle d'acidité dans l'eau ou dans le Dl~SO. Il apparaî~ que les pKa mesures d~anj l~
mélange eau/dioxane sont plus basiques que les valeurs obtenues en solution d'acide sulfurique ou dans le DMSO, on note ainsi un écart de 3 unités pKa pour le malononitrile. De plus, si l'on compare l'acidité de l'acétyl malononitrile dans le mélange eau/dioxane et celle de l'ester du malononitnl.o. en sollltion aqueuse d'acide sulfurique, les deux valeurs différent de 8 unités pKa. Or, d'après les pKa détermin~s pour le TFSM dans le DMSO et en tenant compte du fait que l'effet du s~lbs~ih~n~ est amoindri dans l'eau [Bo~well3], l'on peut s'attendre à un écart maximum - 2 unités pKa~
soit un écart ~ 6 unités pKa en ne considérant que l'effet du solvant sur l'acidité.
Tableau 3.10 Acidité du malononitrile et de ses dénvés dans l'eau et dans le DMSO.
Acide pKa F~h~lle Solvant référence CH2(CN)2 11,2 H2o H2O [Pearson3]
CH2(CN)2 14,1 H2OH2O/Dioxane 1/9 (Vol.) [Kem2]
CH2(CN)2 11,1 DMSO DMSO [Bordwell1]
PhCH(CN)2 5,8 H2O ? [Josey]
PhcH(cN)2 4,2 DMSO DMSO [Bordwell1 ]
p-NO2PhCH(CN)2 1,9 H20 ? [Hartzler]
MeO2CCH(CN)2 -2,8 H2O H2O/H2SO4 [Boyd1 ]
MeCOCH(CN)2 5,2 H20H20/Dioxane 1/9 (Vol.) [Kem2]
PhCOCH(CN)2 4,3 H2OH2O/Dioxane 1/9 (Vol.) [Kem2]
p-NO2PhCOCH(CN)2 3,6 H2OH2O/Dioxane 1/9 (Vol.) [Kem2]
HC(CN)3 -5,1 H2O H2O/H2SO4 [Boyd1 ]
Cette écart important peut s'expliquer par le fait que si le dioxane permet de solubiliser des acides organiques insolubles dans l'eau, ce solvant est peu accepteur au sens de Lewis, de plus la symétrie de la molécule la rend peu polaire. D'autre part, la mesure du pH s'effçchl~nt à l'aide d'une électrode de verre dont la mesure est référencée à celle obtenue pour une oAo solutiQn d'acide perchlorique à 10-5 M, elle suppose que le comportement des anions dérivants du malononitrile est identique à celui du perchlorate dans le mélange Dl eau/dioxane. Il est dès lors plus intéressant, dans le cas présent, de se référer aux valeurs obtenues en solution aqueuse d'acide sulfurique, les solutions concentrées (~ 50% en volume) d'acide sulfurique sont plus donneuses que l'eau seul. De plus, les bases molles déloc~li.sé~s dérivant du malononitrile doivent être mieux solvatées dans le DMSO, comme l'illustre l'exemple du phényl malononitril~, ce raisonn~ment pouvant s'étendre au poly(oxyde d'éthylène).

!
Un autre paramètre à considérer est la stabilité électrochimique des anions dérivant du malononitrile, aussi avons nous regroupé dans le tableau 3.11, les potentiels d'oxydations, d~!~,...in~s dans le DMSO, de quelques anions [Kem21, référencés ici à une électrode de lithium.
Tableau 3.11 '~t~ l d'oxydation vs. (Li+/Li~) du malononitrile et dénv~s dans le DMSO.
Acide CH2(CN)2 CH3COCH(CN)2 PhCOCH(CN)2 p-NO2PhCOCH(CN)2 Eox (A-) ~ 3,75 z 4,48 ~ 4,52 ~ 4,62 Ces valeurs sont déterminées par voltammétrie cyclique en utilisant le perchlorate de lithium comme sel de fond, or, pour les anions çhél~trnts le cation lithillm, la charge anionique étant ainsi partiellPm--nt stabilisée, le potentiel d'oxydation mesuré est en apparellce plus élevé. Ainsi pour l'acétylacétone qui présente une constante d'association élevée avec Li+ (pKaSs = 4,77), le potentiel d'oxydation apparent est supérieur de 520 mV avec LiCl04 comme sel de fond par rapport à la valeur obtenue en llt~ rnt Et4N+BF4-, le cation tétraéthylammonium n'étant pas complexé par l'acétyl~cétone IB "~1. Cependant, les anions que nous considérons étant peu complexants vis à
vis de Li+, par exemple le pKaSS < 1 pour le malononitrile [~o~well1], nous n'avons pas à remettre en cause les valeurs des potentiels d'oxydations pour ceux-ci. En marge de ce problème de comple~rtion de Li+, les potentiels étant déterminés par rapport au ferrocène, il est nécess~ire de caler son potentiel par rapport à l'électrode normale à hydrogène. Les écarts observés entre différents auteurs s'expliquent par un problème dans la référence choisi pour ce couple, à l'heure actuelle, on admet que le couple du ferrocène est ~719 mV dans le DMSO par rapport à
l'ENH [E'~ '~ "4l On obtient donc directement des potentiels référencés à une électrode de lithium en ajoutant~3,719 V aux valeurs référencées au ferrocène. On peut dès lors relier le potentiel d'oxydation de l'anion au pKa de son acide conjugué [Kem21, comme l'illustre la figure 3.22, pour aboutir à la relation linéaire suivante:
Eox(A~) = 4,89~ - 0,0812 pKa Si l'on exprime cette équation en trr~-icrnt 4,8 le potentiel et le pKa en kcaVmole, l'on 4,6- ~p-NO2PhCO¦RCH(CN) ¦
aboutit à une pente # 1,37. Ce résultat n'est PhCO~CH CO 2 pas restreint au dérivé du malononitrile, J 4.4- \~ -mais ce véri~le aussi pour les anions t~ 4 2- \
dérivants d'acides hydrocarbonés (cyclo- \
pentr~i~nyle, indényle, fluorényle,.. ) [KelT~2]. 0 4 - \ ~
Des travaux plus récents [E~ ~11 sur ces 3, 8 - ~ H~rniPrs anions pour lesquels le potentiel 3,6 d'oxydation et l'acidité ont été déterminés 2 4 6 8 10 12 14 16 dans le DMSO montrent une pente proche pKaH20 de l'unité entre le potentiel d'oxydation et le Figure 3.22: l~volution du polenliel d'oxydation d'anions ~ ~ dérivants du malononitrile en fonction de leur acidité.
PKa exprlmé en kcal/mole ~ela suppose en 2i94127 ..
fait que l'on peut relier le pKa dans l'eau et dans le m~l~nge eau/dioxane par une relation linéaire, ce qui est concevable en se référant aux r~,slllt~ts obtenus pour le phénol et ses dérivés dans l'eau et dans le DMSO, comme nous l'avons mentionnée précédçmm~nt Nous retiendrons par la suite cette hypothèse pour estimer les potentiels d'oxydations de certains anions dans le DMSO. Il faut noter que ce r~isonnpment ne peut s'appliquer que pour des anions de illU~;lult; simil~ire, et i~ lement sur des anions où l'on substit-)e un des gronpçm~ntc sur un substrat donné, limit~nt ainsi l'effet de la s~bilisation des radicaux, tel quc nous l'avons cxposee pour les anions de la famille du TFSM. En particulier, conn~iss~nt l'effet du remplacement d'un groupement acétyle par un groupement trifuorométh~neslllfonyle dans l'~cétone (~pKa ~ 17), et dans l'acét~mide (~pKa - 16) IBordWell6]~ l'on peut s'attendre à une augmentation du potentiel d'oxydation en passant de l'acétylmalononitrile au trifluororn~th~neslllfonylmalononitrile - 1 V, soit un potentiel d'oxydation de l'anion ~ 5,5 V proche de celui du TFSM (Eox = 5,35 V).

Nous avons ég~lement considéré la cy~n~mide (de formule H2NCN), produit de la grande chimie organique, dans la famille des carbanions cyanés, pour la synthèse de sel. En effet, l'on peut im~gjner de synth~ticer~ par exemple, un sl1bstitut au TFSI dans lequel l'un des groupements fluorés (-SO2CF3) est remplacé par un gronp.oment non fluoré (-CN) diminuant d'autant le coût et le poids de la molécule. Ce sel pour lequel on peut s'attendre à une moindre acidité ~ 4 unités pKa par rapport au TFSI, soit une valeur estimée du pKa~~3 dans le DMSO, devrait cependant le rester sllffic~mm~nt pour être dissocié dans le POE.

Tout ceci justifie plein~ment notre intérêt pour les anions cyanés, malgré le doute pouvant subsister sur la stabilité des groupements cyanés vis à vis du lithium, ce point particulier ne pouvant être tranché, à notre avis, que par des essais de longue durée en batterie, ceci dépassant le cadre de nos travaux. Aussi, présenterons-nous par la suite les possibilités offertes par les acides cyanés dérivant du tétracyanoéthylène.
Famille des anions dérivant du tétracyanoéthylène: Les travaux sur le tétracyanoéthylène (TCNE) et ses dérivés sont issus pour l'essentiel d'un programme de recherche poursuivit par la société Dupont de Nemours dans les années 60-70 visant à développer un substitut cyané au Teflon~' mis au point par cette même société dans les années 50. Malgré
l'impossibilité de syn~h~ticer un tel polymère, ces recherches ont aboutis à une N~ ",N
vaste conn~issonce sur la chimie des composés cyanés et leurs caractéristiques >~<
physico-chimiques (pKa~ absorption optique, potentiel d'oxydation,...), et à la N",c c~N
rédaction d'articles de revues complets sur ce sujet ~Websbr1,y. Nous ne préciserons TCNE
pas dans le détail les possibilités offertes par cette chimie, le lecteur plus particulièrement intéressé pouvant se reporter aux articles de synthèse précédemment cités. Nous aurons l'occasion de revenir sur ces travaux lors de l'étude des anions hétérocycliques, et des molécules à propriétés rédox.

21 94~27 , ..
Nous avons regroupé dans le tableau 3.12 les acidités obtenues pour certains de ces anions en solution d'acide sulfurique relativement à l'échelle d'acidité dans l'eau. A partir du TCNE, il est donc envi~a~P~IP d'obtenir des bases molles déloc~lis~,es dont les acides conjugués présentent des ' ~ci~lit6s typiquement comprises entre 0 et -~; les sels de lithium en dérivants devraient donc être potentiellPment dissociés en milieu aprotique, et plus particulièrement dans le POE.
Tableau 3.12 pKa d'acides cyanés dérivants du tétracyanoethylene relativement à l'eau.

NC~ ~ C~ H+ 0,6 ~C:=C;-N= C~-C~3 H+ -6,07 p~l.i~. .;.,~I)-phényl- e~ al~o~ mine di~

NC CN ,CN NC Hl CN
O C~-C= C~-C ~ H+ -3.55 ,C=C~-C~ H+ -8 D~ i nc T~-~ pJ~pène NC H
NC O H+ NC ~ ~ CN
~C:=C -5,3 ~C= C~ -8,5 NC CN NC C;-CN
NC ~ H+
Alcooll~ ;."li~e ~ c' Db~tylène Il faut noter que pour les acides incorporants le radical tricyanovinyle, il n'est pas possible d'écrife une forme de résonance pour le groupement cyano placé en a du motif malononitrile, comme l'illustre la figure 3.23. Des calculs théoriques de méc~nique quantique [Boyd2l montrent ainsi que la ~R = 13,~R _ C~O--C=R =

Figure 3.23: Forme de résonance du radical tricyanovinyle.
charge effective est moindre sur l'azote de ce groupemPnt On peut dès lors envisager une moindre st~bilit~ de ce ~ ,pe~"Pnt cyano vis à vis d'une électrode de lithium. Même si il ne s'agit là que d'une hypothèse, qu'il faudrait confirmer par un essai en batterie, nous ne nous sommes pas in~éless~s dans un plc;mier temps à ces anions.

~- 56 -II-3-2-2 Synthèse des anions:

Anion de la famille du TFSI:
, ~ , ~CF3SO2NLiSO2N(CH3)2: 26,85 mmoles (4,004 g) de CF3SO2NH2 (Fluorochem), 26,85 mmoles (3,856 g) de chlorure diméthylsulf~moyle (Aldrich, 99%), et 53,71 mmoles (5,435 g) de tncthyl umir.c scnt agit~s penu~nt .lu..;re jours dans du TH~ ,u,h~dre. L., pr~,ripité d'hydrochlorurc de triéthylammonium est ensuite éliminé par filtration, le THF évaporé, puis le produit repris dans l'eau. On ajoute alors ~ 30 mmoles de KHCO3 (3 g), après dégagement du CO2, l'eau est évaporé, le produit séché sous vide à 60~C pendant une nuit, puis repris dans le formate de méthyle, filtré, et de nouveau séché. Le produit est obtenu avec 85% de rendemPnt L'analyse en RMN du fluor dans CD3CN, donne un pic majoritaire à -74,019 ppm (CF3SO2N(TEA)SO2NMe2), et un pic à-75,741 ppm (CF3SO2NH2), qui représente 2,6% des fluors présents. Une solution aqueuse du produit est ensuite tamponnée à un pH ~ 4, lavé à l'éther afin d'éliminer la trifluorométh~nPs.llfAmi~e non réagit, acj~ifiPR à pH ~ 1 par une solution 4M d'acide chlorhydrique, puis extrait au diéthoxyéthane. Le sel de lithium s'obtient en ajoutant alors du carbonate de lithium (10% en excès), une fois sec le produit est repris dans le formate de méthyle puis séché sous vide à
60~C pendant une nuit. L'analyse en RMN du fluor et du proton montre que l'on obtient le sel de la diméthylsulfamoyl trifluorométh~nP-sulfonyl imide sous la forme d'un produit blanc pur.

Anions de la &mille du Malononitrile:

~CHLi(CN)2: le sel de lithium du malononitrile (Aldrich, 99%) est obtenu en le traitant par un équivalent d'hydrure de lithium dans le diméthoxyéthane ou le tétrahydrofurane à froid (~ 0~C); le dégagement d'hydrogène cesse rapidemçnt et le sel est ensuite utilisé in-situ après un laps de temps 15-30 mn. Si ce sel doit être traité par un halogénure, l'on utilise directement deux équivalents de LiH, le deuxième servant ultérieurement de base.

~CH3COCLi(CN)2: l'acétylmalononitrile est un produit commercial (Aldrich, 98%). Le sel de lithium est préparé en traitant l'acide par un excès de carbonate de lithium (~ 20% molaire). Après évaporation de l'eau, et ~h~ge du sel pendant une nuit à 50~C sous vide, le produit est repris dans l'açélo~ . ;le, filtré, et séché sous vide à SO~C pendant ~ 24 heures. Le spectre infrarouge du produit montre un pic intense d'absorption de la fonction nitrile (~2200 cm-l), et l'absence de pic co~l~,.,polldant à une fonction carboxamide (~ 1650 cm-l) qui aurait pu résulter de l'hydrolyse des fonctions cyanées du produit.

~CF3COCLi(CN)2: le trifluoroacétylmalononitrile est synth~ti~é en traitant le sel de lithium du malononitrile par le trifluoroacétate de trifluoroéthyle (Aldrich, 99%), ce réactif étant un substitut stable et ~ mçnt manipulable au chlorure de trifluoroacétyle qui présente l'inconvénient d'être 2l94127 ._ gazeux (Teb =-30~C) et facil~ment hydrolysable, dans le diméthoxyéthane à froid (z 0~C) pendant ~ 2 heures, puis à la temp~.alulG ambiante pendant ~ 24 heures. Après évaporation du solvant, le produit est repris dans le formate de méthyle, filtré, puis séché pendant z 24 heures à 60~C sous vide. On obtient à ce stade un rçn~çment z 80% en sel de lithium du trifluoroacétylmalononitrile, le produit p~se~ nt une légère teinte verte fluorescente. L'analyse en RMN du fluor réalisée dans CD3CN présente un pic majeur à -68,325 ppm (CF3COC(CN)2Li) et un pic mineur a -71,4239 ppm. Le rappol-i des ;,urraces ues deuic pics inuiqUeill une pUI~ C /~0 pOUI' ;e pl~Jd~ vi~ ~L Vi~i du fluor.

~PMAMLi: en premier lieu, la polymérisation du trifluoroéthyl méthacrylate (Lancaster, 98%), initiée par de l'AIBN (1% en poids), est effectuée dans du THF anhydre à 80~C pendant z 24 heures. Après avoir porté cette solution à 0~C, l'on ajoute une solution dans la DME de m~lononitrile (20% en excès) traité par de l'hydrure de lithium (10% en excès). Le polyélectrolyte formé pl~cipite dans le THF au cours de la réaction. Après z 24 heures, la solution est centrifugée, et le polymère séché à 60~C sous vide. La synthèse est illustrée sur la figure ci-dessous:

CH2=C THF 80~C~ ,~n CH2cN2~2LiH ,~ 3'n AIEN DME
C=O C=O C=O
O O ,C
CH2 ICH2 N Lj+ N

~RSO2CLiC(CN)2: la synthèse de dérivés sulfonés du malononitrile à partir de chlorures de sulfonyles montrent une rapide coloration de la solution concomitante à l'oxydation du malononitrile, et ce tout particulièrement pour le trifluorométhanesulfonyle connu pour être un agent de chloration du diméthyl malonate IT'Jli ~ nl. Aussi, avons-nous utilisé essent~ ement les fluorures de suLfonyles, le fluor étant plus solvaté que le chlore, il est ainsi rendu moins oxydant que celui-ci malgré son potentiel d'oxydation supérieure.

Le méth~nesl-lfonyle et le paratoluènesulfonyl malononitrile sont obtenus en traitant le sel de lithium du malononitrile par respectivement, un équivalent de fluorure de méthanesulfonyle (Lancaster), ou un équivalent de paratolu~nesulfonyle (Aldrich, 99%) en pl~sellce d'un équivalent de LiH, dans le tétrahydrofurane à froid (z 0~C) pendant z 2 heures, puis à la temp~.d~l~ ambiante pçn~nt ~ 24 heures. La solution est ensuite centrifugée pour éliminer le LiF formé puis évaporée.
Après séch~ge à 50~C sous vide pendant z 24 heures, les sels de lithium sont repris dans le formate de méthyle afin d'~liminer le LiF pouvant rester dans le produit, puis séché pendant # 24 heures à
60~C sous vide. On obtient ainsi les sels de lithium, légèrement colorés, avec un rendemçnt z 90%.
La microanalyse de ces produits et la RMN IH (80 MHz) confirmPn~ la pureté de ces produits:

2~94127 CH3SOzCLiC(CN)2:
RQUII~lS %C %H %N %S
e 32,37 2,06 18,63 20,58 C4H3S02N2 32,01 2,01 18,67 21,36 RMN IH (80 MHz, CD3CN):

CH3PhSO2CLiC(CN)2:
Résultats %C %H %N %S
~analyse 52,67 3,11 12,32 13,3 CloH7SO2N2 53,1 3,12 12,39 14,37 RMN IH (80 MHz, CD3CN):

Le fluorure de trifluorométh~nPsulfonyle n'étant pas disponible commercialement et gazeux, nous avons utilisé le trifluorométh~nesulfonyl imid~7ole (Fluka, - 97%), l'imidazole étant un assez bon groupe partant qui présente en plus l'avantage d'être relativement stable à l'hydrolyse et liquide, tout en étant moins oxydant que le dérivé chloré. Ainsi, l'on traite le sel de lithium du malononitrile par un équivalent de ce produit dans le diméthoxyéthane à froid (~ 0~C) pendant ~ 2 heures, puis à la température ambiante pendant ~ 24 heures. Après évaporation du solvant, le produit est séché
pendant ~ 72 heures à 60~C sous vide afin d'éliminer l'imidazole produit au cours de la réaction, repris dans le formate de méthyle, filtré, et enfin séché pendant ~ 24 heures à 50~C sous vide. Le produit est obtenu coloré avec un rendement ~ 70%.

~LiC(CN)3: Le sel de lithium est obtenue par échange ionique, en traitant le sel de potassium (Alfa) par un équivalent de chlorure de lithium anhydre dans du THF. Après ~ 30 mn, la solution est évaporée, le produit séché dans un dessiccateur sous vide à 60~C pendant une nuit, repris dans étQnitrile anhydre, la solution filtrée, évaporée, et sel de lithuim séché une nuit à 60~C sous vide.

C~ -ide:

~LiN(CN)2: le bis(cyanoimide) de sodium est un produit commercial (Aldrich, 96%). On obtient son sel d'argent en le traitant par un équivalent de nitrate d'argent dans l'eau, ce sel insoluble est ensuite traité avec un équivalent de chlorure de lithillm Après ~.limin~tion par filtration du chlorure d'argent formé, le solvant est évaporé, puis le produit séché z 24 heures à 50~C sous vide. Le sel est ensuite repris dans le formate de méthyle, filtré, et de nouveau séché ~ 24 heures à 60~C sous vide.

~CF3SO2NLiCN: le dérivé trifluorom~th~neslllfoné de la cy~n~mide est obtenu en traitant le di-sel de sodium (~ 20% en excès molaire) de la cy~n~mide par le chlorure de trifluorométh~nesulfonyle dans le tlim~thoxyéthane à froid (# 0~C) pçn~l~nt - 2 heures, puis à la tempél~lule ambiante pendant 24 heures. Par filtration et évaporation du solvant, on élimine l'excès de cy~n~mide et le chlorure non réagit. Après évaporation du solvant et séchage, le sel de sodium est repris dans le THF et traité
par un excès de chlorure de sodium (z 10%). Après évaporation et séchage, le produit est repris dans le formate de méthyle, filtré, et enfin, le solvant évaporé et le produit séché z 24 heures à 50~C
sous vide. L'analyse en RMN du fluor dans CD3CN donne un pic majeur à -74,1891 ppm (CF3SO2NLiCN) et deux pics mineurs à -74,3893 ppm et -75,0165 ppm, le rapport des surfaces indiquant une purete ~ 80% vis à vis du lluor.

!
II-3-2-3 Conduchvité:

Anion de la famille du TFSI:

La conductivité du sel de lithium, pour une composition à O/Li = 12/1, de la diméthylsulfamoyl trifluorométhanesulfonyl imide, que nous appellerons plus simplem~nt diméthylaminoTFSI est rlncc sur la figuic 3. ~, cn comp,ù.iis.,il ~iv~;C h CùiluuC;i vii~ du Li l r.~ ,/Li = b/'i.

1 o-2 , , , , I , ---1 0 3 ~ ~ ~ ¦ Me2NSO2NLiSO2CF3 ¦
E ~ _ E 10'4 ~
O
.10 5 -- o O/Li=l 2/1 0 6 TFSI O/LI=8/1 \~
- -2, 5 3 3, 5 1 000/T(K) Figure 3.24: Courbe de conductivité du diméthylaminoTFSI.
Malgré un pKa que l'on peut estimer supérieur au moins de cinq unités à celui du TFSI, cet anion donne une conductivité qui n'est inférieure que d'un facteur deux à celle obtenue pour l'anion du TFSI. Cet exemple prouve qu'il est ainsi possible de synth~tiser des dérivés du TFSI ne contenant qu'un groupement perfluoré, tout en conservant une conductivité appréciable dans le POE. Ce résultat est intéressant à plusieurs titres. En effet, l'essentiel du coût du TFSI provient de la n~ce-csit~ de passer par une étape de fluorination électrochimique coûteuse, dès lors, si l'on réduit de moitié la quantité de fluors présents dans la molécule, il est envisageable de diminuer d'autant son coût. D'autre part, ces composés ouvrent la voie à toute une famille de sels à propriétés tensio-actives, pour lesquels l'on peut espérer contrôler les propriétés physico-chimiques, par la nature et la longueur des chaînes alkyles présentes sur l'azote; ainsi, il est probable que son homologue avec deux grwp~ e~ts propyles donnent encore une meilleure conductivité de ce sel dans le POE.
Cette synthèse ouvre ég~llomçnt la pe~ e d'obtenir des sels portants des fonctions réticulables pe mett~nt de les greffer. Cette réaction, relativement simple, de transformation d'un halogènure de sulfonyle en un sel dissocié, devrait ég~lemçnt permettre de solubiliser dans le POE diverses molécules, telles des espèces rédox, et d'introduire ainsi différentes fonctionnalités au sein des électrolytes polymères, comme par exemple des protecteurs de surcharge I

Anions d~ de la ~;~ ,~ide:

~LiN(CN)2: La conductivité obtenue, à température décroics~nte, pour le sel de lithium de la bis(cyanoimide) pour différentes concentrations est donnée sur la figure 3.25, en référence à la conduc~ é du LiTFSI de composition O/Li = 8/1 [SYllal qui nous servira d'~l~mPnt de comparaison dans la plupart des c~s. Les trois courbes de conductivité (O/Li = 8, 12, et 16) amorcent une cassure li~e à la recr~ LroiyL~ ~i ~ SO~c. Au dessus de cette température, le sel de lithium de la bis(cyanoimide) permet d'obtenir des conductivités inférieures d'environ un ordre de grandeur à celle du LiTFSI à O/Li = 8/1, ce qui représente malgré tout un résultat tout à fait intéressant aux vues de la simplicité de l'anion en terme de chimie et de sa faible masse (LiN(CN)2=71 comparativement à 287 pour le LiTFSI).

1 o 2 1 ~
¦ (Nc)2NLi ¦

E ~ o - O ~

'~D \~Q\
- 6- ~ O/Li=8/1 \~ ~
10 - O O/Li=12/1 o 7- 0 0/Li=16/1 10 ~ TFSI O/Li=8/1 1 o-8 2,5 3 3,5 1 000/T(K) Figure 3.25: Conductivité du sel de lithium de la bis(cyanoimide).
L'intérêt potentiel de ce sel est évidemm~nt conditionné à la stabilité électrochimique de l'anion de la bis(cyanoimide), spécialement vis à vis d'une électrode de lithium, le potentiel d'oxydadon de l'anion pouvant être esdmé, comme pour le LiTFSI à une valeur supérieure z 530 mV à celui du malononitrile soit ~ 4,3 V.
On pourrait nous reprocher de ne pas avoir chercher à confirmer ce résultat par une étude électrochimique du domaine de stabilité rédox de l'anion de la bis(cyanoimide) dans le POE, cepen~nt, dans un premier temps, il nous a semblé plus important de définir les f~milles d'anions pouvant donner lieu à des sels de lithium suffi.c~mment dissociés dans le POE. De plus, comme nous l'avons déjà mendonné, l'exp~rienre acquise depuis plus de dix ans dans le cadre du projet ACEP montre qu'il est difficile d'échapper à un test réel, dans des con~itions standards, de cyclage en batterie de nouveaux matériaux pour valider ou invalider leurs utilic~tionc-. Ces tests permettent ainsi de comparer les performances obtenues pour un nouveau sel tant en terme de cyclabilité, de p--iss~nce, et de définir ainsi le domaine d'application potentiel d'un nouveau matériau. Il est en ~ 21 9 41 2 7 effet n~cess~ire de garder en mémoire que les applications des batteries à l'électronique sont génér~l~ment moins contr~i~n~n~es en terme de pui~s~nce et de cyclabilitées, contrairement aux applications pour la traction électrique. Ce premier exemple nous montre qu'il est tout à fait envisageable de trouver des sels de lithium reposants sur une chimie non fluorée présent~nt une c~nductivité certes inf~- ;e~ à celle du LiTFSI, mais permett~nt tout du moins d'envisager leurs utilisations dans des systèmes de batteries primaires ou secondaires de faibles pnics~nces utilisants des électrolytes non-crict~ is:~bles e~ poLenLiellement plasti~lés.

En marge des problèmes d'applications possibles de ce m~t~ n nous avons rassemblé sur la figure 3.26, la con~uctivité de différents anions de la famille du TFSI pour O/Li = 8/l. Il est intéressant de noter que l'ordre des valeurs de conductivités respectent l'ordre du pouvoir attracteur des substit1l~ntc, permettant de relier l'accroicsem~nt de conductivité à une meilleure dissociation:
, effet attracteur du substituant: CH3S02 < CN < CF3CO < CF3S02 Si l'on suppose une nouvelle fois que l'écart d'acidité obtenu dans le DMSO, pour les anions de la famille du TFSM, est conservé pour les anions de la famille du TFSI, le gain -4 unités pKa, résnlt~nt de la substit~ltion du groupement méthylsulfonyle par un nitrile, correspond environ à un accroissement d'un ordre de grandeur de la conductivité. Par contre, la substitution 1 o-2 du groupement nitrile par un groupement ~E 1~-3 ~ CF3SO
trifluorom~th~nesulfonyle entraîne une ~ 1 0 4 - C~
diminution de la basicité de l'anion ~9 E ~C~F CO~E}
unités pKa, résultant en un accroissement ~ 1 o - 3 de la conductivité de seulement un ordre _ 1 o 6 de grandeur. Il est probable que tout ~ R2NL~
comme pour les milieux liquides, la ~ 10 - CH3SO2 conductivité ~ugmente lorsque le sel est 1 o-8 ~
plus dissocié, autrement dit lorsque 2, 4 2, 6 2, 8 3 3, 2 3, 4 l'anion devient moins basique, jusqu'à ce 1 000/T(K) que l'énergie de solvatation du polymère d'anions dis~.;~s appartenant à la famille des imides.
vis à vis du sel devienne supérieure à
l'énergie de solvatation et de dissociation du sel. Cette remarque réfère en fait au concept de nombre donnellr des anions introduit précédemment (Cf II-3-l-l).

Identiquement au TFSI, il serait important de pouvoir disposer des valeurs des DNX-~solv de ces différents anions, et en particulier dans des milieux tels que les glymes liquides de basse masse (M~100-300), qui permettrait de corréler les données thermodynamiques obtenus par spe.;~ tri~, aux mesures de conductivité cl~termin~es en milieu poly(oxyde d'éthylène), et ainsi de faire un lien entre la physico-chimie des solutions liquides, et celle propre au milieu polymère.

~t 941 27 _ CF3SO2NCNLi: La conductivité du sel de lithium de la trifluorom~sh~nesl-lfonyl cy~n~mide est donnée sur la figure 3.27 pour dirré~ntes compositions (O/Li = 8, 12, et 16). La conductivité
obtenue n'est plus que deux à trois fois inférieur à celle du TFSI, et permet donc de gagner presque un ordre de grandeur sur la conductivité de la bis(cyanoimide), comme l'illustre la figure 3.28.
1 o-2 CF3SO21'1 L~5 _ ~ 0~4 - ~

:~ o O/Li=8/1 ~\
1 o-6 _ o 0/Li=12/1 \~ -o o O/Li=16/1 1 o'7 - TFSI O/Li=8 1 o.8 2,5 3 3,5 1 oOO/T(K) Figure 3.27: Conductivité du sel de lithium de la trifluorométhanesulfonyl cyanamide.
De plus, l'électrolyte de composition O/Li = 8/1 ne recri.~t~lli.ce qu'à partir ~ 40~C, soit - 10~C en dessous de l'électrolyte de même composition avec la bis(cyanoimide), il est probable que cette abaissement de la température de fusion de l'électrolyte, soit à relier à la 1 o-2 présence du groupement triflyle dans -E 10'3 ~ ~_ ¦ 0/Li=8/1 ¦ -la molécule, en accord avec les _" 4 _ ~--3~--~ -résulLaLs précédenL~, sur l'influence de E
la concentration du sel sur la --1 0~5 température de transition vitreuse des ' 1 o-6 _ e N(CN)2 \ \E3 _ électrolytes polymères (Cf II-3-1-3, ~, ~CF3SO2NCN \~
tableau 3.4). o 10 7 _ TFSI \~, 1 0~8 Pour conclure avec les anions 2, 5 3 3, 5 1 000/T(K) dérivants de la cyanimide, la figure Figure 328 Com~iSOn de la conduc~ivité des sels de Ijthium ~ .28 permet de comparer la de la bis(cydn~, 'e)et de la trfflu~ru,,,~lhanesulfûnyl cyanimide conductivité du sel de lithium, respectivement de la bis(cyanoimide), et de la trifluorométhanesulfonyl cyanamide, pour une composition à O/Li = 8/1.

A~ions d;.;~ ls du malononitrile:

La chimie du malononitrile étant relativement simple d'accès, nous avons voulu étudier l'infl-lP.nce sur la conductivité de la nature du substituant, soit l'acétyle, méthanesulfonyle, para-tol~l~nesl~lfonyle, cyano, trifluolu~célyle, et enfin le trLfluorû~ h~neslllfonyl m~ onitrilp~ Afin de simplifier la présentation des résultats, nous donnons sur les figures 3.29, 3.30, et 3.31, les iso~hermes de conduclivités respec~ivement pour les composiiions à 0/Li = 8, 12, et 16/1, et ce pour des lel~példtures comprises entre 40 et 100~C pour ces différents anions.
1 o. 2 I 0/Li=8/1 1 ~
-~10 3- _ .
_o - 100~C ~
0 1 0 - = ~ = = ~ ~

,5- ~/

0 1 o- 6 _ e/

1 0 7 1 1 ~ oN <~ , O
s ~ s ~
Figure 329: Isotherme de conductivité pour les anions dérivants du malononitrile à O/Li = 8/1.

1 o 2 1 ~ , ¦ O/Li=12/1 ¦
~10-3-_" - 1 00~C ~
F 1 o 4 - 80~C ~ ~~ a ~) 5 - 50~C ~-- ~/ -~a ~ 10~6 - 7 ,
7 kcaVmole. However, with the exception of 12 14 16 18 2 0 2 2 2 4 2 6 2 8 glou ~ e .. ~ nt triflate, the effect of a second pK Db ~ acid subs ~ itn ~ ion is leveled by the presence of Figure 3.17: Influence of pKa DMSO on the pot: ntiel o ~ dation, dé ~ erminé in the DMSO relative to the ENH, first groupc-llent acceptor, and this in acids of the family PhCH2SO2G, according to [Bor ~. '; 21.
especially for sulphonates. The study PhCH2SO2G type acids confirm this result, the dissociation energy of the CH bond .
being practically identical, between 89 and 91 kcaVmole, for the groups G of the series: Me, t-Bu, Ph, CH2Ph, NMePh, OPh, and CF3, while the acidity varies ~ 11 pKa units (i.e.
z 15 kcaVmole). In this case, there is a linear correlation between the oxidation potential of the anion and pKa of the acid with a slope close to unity when the two parameters are expressed in kcal / mole, as shown in Figure 3.17. In fact, this linear relation must be pr ~ llle when ~ dissociation energy is not const ~ nt ~ but it is then disturbed p ~ r the effect stabilizing or destabilizing acceptor groups with respect to the radical.
On the other hand, the gloup-llent triflate being essentially attractor by inductive effect, the second substitution on methane results in an increase in the stability of the CH bond of 10 kcaVmole, this bond being fin ~ l ~ ment more stable in TFSM than for methane. The trifluoromethanesulfonyl group makes it possible to synthesize slightly basic anions and particularly stable in oxidation. Let us specify to fix the orders of magnitude, that the substitution of the methyl group of the sulfonyl radical with its fluorine equivalent, makes it possible to gain z 13 pKa ~ units and increase the oxidation potential of the anion by z 1.2 Volts. We can thus reconcile the advantages of a delocalized soft base favorable to solvation in medium aprotic, while gar ~ ntics ~ nt anion oxidation potential consistent with the application envisaged in the field of b ~ tteries with polymer electrolytes.

Now let's take a look at the anions of the imide family, for this purpose Table 3.8 brings together various values of pKa making it possible to specify the influence of the anion center on the strength of their conjugated acid. Thus, pKa decreases on average z 9 units by substituting carbon with a nitrogen atom, the same result is obtained by restricting the acid CF3SO2XHPh which is the most close to our concerns.
Table 3.8 Influence of the center an- ~ n, _e (-N-- ou = C ~ -) on pKa ~ relative to DMSO, their cor. acids, ugués (except for ~ whose values are relative to the acidity scale in water).
Acid pKa (X = CH) reference pKa (X = N) reference / \ pKa CF3SO2XH2 18.8 [B1] 9.7 [B3] 9.1 CF3SO2XHPh 14.6 [B1] 5'7 [B3] 8.9 XH3 48 ~ [March] 38 ~ [March] 10 Ph2XH 32.1 [B2] 25 [B3] 7.1 (PhSO2) 2XH 12.2 [B1] 1.4 ~ [F&D] 10.8 On the other hand, Table 3.9 presents the effect of substitution on the acidity of ammonia and method, as we can see the effect of the substituents on their acidity is try ~ m ~ nt independent-i ~ nte of the anion center. All of this suggests that the acidity of TFSI family anions evolve identically to their TFSM family counterparts with the nature of the subssibl ~ nt ~ but with a ~ éc ~ lage z 9 pKa units.

...

Table 3.9 Influence of the acid center XH on the pKa of the RR'XH acids by derivative, with respect to XH3.
~ PKa with reference to XH3 Acid X = CH X = N ~ (~ PKa) / (~ average pKa) Ph2XH -16 -13 20%
CF3SO2XH2 -29.2 -28.3 3% CF3SO2XHPh -33.4 -32.3 3% (PhSO2) 2XH -35.8 -36.6 2%
Thus, knowing the pFS of the TFSM of 2.1 in the DMSO, we can therefore assume that the TFSI should present a pKa ~ -7 in this same solvent, even if it is insnffis ~ mment stable to strong acids to consider confirming this result. Identiq ~ lemçnt the pKa of the form bis (cyanoimide) acid, of formula HN (CN) 2, would be ~ 2, ie a substantially identical value to that of the TFSM. At this point, we think it is appropriate to come back to the acidity measurements of TFSI present during the study of protonic molten salts (Cf II-2), in the light of these results and collcep ~ that we introduced previously on the salt-solvent interactions. PKa TFSI in water of 1.7 Ir ~ 5], therefore differs ~ 8.7 units from the value estimated in the DMSO, such a difference expressed in terms of free enthalpy, according to the relation ~ Gj ~ (drnso) ~ Gi = 2,3RTapKa, corresponds to a TFSI ~ H + + TFSI energy difference ~ 12 kcaVmole. The anion ~ Gt ~ (TFSI), ~ Gt ~ (H +),, ~ Gt ~ (TFSI-) TFSI being a very TFSI ~ H + + TFSI soft base reloc ~ lisée, non-hydroxylic solvents ~ Gj ~ (water) Figure 3.18: Thermodynamic ionization cycle of the TFSI.
some are better solvents than hydroxylic solvents; if we assume that the difference in ionization energy (~ G;) corresponds to the gain in terms of solvation energy in passing from water to DMSO, the thermodynamic cycle of figure 3.18 makes it possible to write:
o ~ G; (TFSI) = ~ Gt ~ (TFSI) - / ~ Gt ~ (H +) ~ ~ Gt ~ (TFSI-) We can consider that the transfer energy from the non-dissociated TFSI from water to DMSO is negligible, this neutral species involving few electrostatic interactions with the solvent, from then knowing the energy of the proton transfer from water to DMSO [E ~
(~ Gt ~ (H ~ = -4.5 kcaVmole), we deduce a transfer energy from the TFSI anion from water to DMSO aGt ~ ('IFSI-) ~ -7.5 kcal / mole. This value is consistent with the transfer energy of BPh4- water with DMSO ~ -10 kcal / mole, classic example of a soft base delocalized little basic, and confirms us in the hypothesis that the pKa of TFSI in water is not abnormally high lemP-nt, but translates only ~ m ~ nt the least solvation of water with respect to anions vol.lminellx very deloc ~ lized n is also ~ l ~ ment possible to estimate from these results the number donor of the TFSI anion in dichloroeth ~ ne, the energy of transfer of water to another solvent ~ ugJnent ~ nt lin ~, ent with DNX- ~ dce lune ~ l, the assumed value of ~ Gt ~ ('IFSI-) ~ -7,5 kcaVmole would then correspond to a DNX- ~ dce ~ 4. If this calculation proves to be correct, the anion of ~ Lj +
TFSI would be less donor than BF4- in dichloroethane (DNX, dce = 6.03),: ~: ~ ~
while the molecule contains free doublets, carried by the atoms CF3 ~ _ CF3 of oxygen, donors in the sense of Lewis, with respect to the cation Li + in particular, EFFECT DONN ~ UR
as illustrated in the figure opposite. This result could probably be DE LOXYGENE
confirms by spectroscopic measurements, starting from the salt of letra-~ utyiammoniums of TFSi, and thus clearing the hypo ~ heses allows ~ ant to es ~ imer ie Dl ~ TFSI ~, dce.

In order to complete this study on the acidity of TFSI, Figure 3.19 illustrates the evolution of energy ionization determined in the anion gas phase containing at least one group CF3SO2 [Koppell ~ according to their pKa determined in DMSO ~ Bordwell6], except for the TFSI for which value is the one previously estimated The apparent linear relationship, between energy (~ G / pK) = 1,86 ~
ionization phase g ~ 7euse and the pKa of these 330 ~ a / ~ JNanions, is an el ~ -mynt which militates in favor of O / ~; 3 assumptions used to estimate the acidity of ~ - ~, 320 CF3 ~) 2N ~
TFSI at ~ -7 in DMSO. It is of course ~ 310 _ ~) 2NHPh obvious that these should be confirmed by ~ ~; 3N
further studies, such as the 300 ~
determination of the donor number of the anion of 290 TFSI in the DMSO. On the other hand, from - 1 o - 5 o 5 1 o 1 5 2 o vibration frequencies characteristic of TFSI, PKa determined by spectroscopic measurements Figure 3-19- ~ ionization energy in the gas phase one could probably estimate the energy of CF3SO2 as a function of their pKa in DMSO.
dispersion by dipole-dipole interactions between the solvent molecules and the anionic charge carried by the anion. Such an approach allows effect of justifying the low basicity of the picrate anion in DMSO [Gunwaldl. The TFSI anion is an excellent example of chemistry specific to dipolar aprotic media, such as electrolytes polymers utilic ~ n ~ poly (ethylene oxide) as a solvent.

The TFSI and the TFSM present ~ nt a similar structure, the g ~ vupel ~ ent CH being substituted by a nitrogen atom more electronegative, justifi ~ nt thus the least basicity of the anion, we can assume that the oxidation potential of TFSI should be greater ~ 530 mV than that of TFSM, i.e.
value ~ 5.88 V relative to a lithillm electrode This value is close to that recently detPrmin ~ e in imid medium ~ 701 fade ~ 6 Volts relative to a lithium ID electrode ~ mineY].
. .
Therefore, subject to the validity of the assumptions previously made ~ nt the conjugated acid of a delocalized soft base does presel ~ nt a moderately acidic pKa in water ~ 1, perhaps a c ~ ndid ~ t as a soluble and dissociated lithium salt in an aprotic medium, such as poly (ethylene oxide).

._ This comment partly justifies the orientation of our work on anions, which are not focused on looking for very strong acids in water, as a criterion for choosing anions, both the nature of the solvent modifies the dissociation as a function of the ~ clu.e of the anions envisaged.

Thus, the introduction of TFSI in electrochemistry widens the field of investigation for synthesis salts, for an application to lithium batteries, to the family of soft bases delo ~ illi ~ e ~. Cepe ~ L, me ~ lle ~ i u ~ a ~ ivn of TFSl d ~ l ~; e ~ b ~ ries e ~ l ellVi ~ and ~ pUi ~ piU ~
ten years, ec.ce.ntiel of the publications on the development of salts still refer to derivatives perfluorosulfonates, or in the development of solvent mixtures making it possible to use the salts derived from coordination anions. This only highlights the few interactions between the approach from electrochemistry, and that from organic chemistry; however, it is clear that concepts that we introduced previously justifying the choice of the TFSI in an aprotic environment have their origins in organic chemistry, and this for an application to electrochemistry The p ~ sellce of a labile proton on the TFSM limits its long-term stability with respect to an electrode of lithium ~ however, the possibility of making nucleophilic substitutions on its carbanion extends the possibilities of grafting an acid function on different IKoshar ~ Benrabahl substrates. In in particular, the addition of CF3SO2F on the dim ~ gnesian of the TFSM makes it possible to synthesize the triTFSM, of formula (CF3SO2) 3CH, carbanionic equivalent of TFSI. The TFSI and the TFSM are ~ ct ~ l ~ llçm ~ nt among the strongest acids known in the ga phase ~ use IKoPpell ~ with respectively an ionization enthalpy of 291.8 and 289 kcaVmole. POE being a dipolar aprotic solvent, the conductivity of a salt is essentially an image of the basicity of the anion in this medium when the electrolyte is in a fully molten state. The conductivity of the lithium salt of TFSI and of triTFSM being roughly equivalent in IBenrabahl POE, we can assume that the two anions have an equivalent basicity also in aprotic medium.

One of our main goals being to find substitutes for TFSI based on more chemistry simple to implement, we have envisaged the use of acids derived from cyanated substrates, such as malononitrile, cyanamide, and tetracyanoethylene. We will present in a first time a bibliographic study allowing to specify the synthesis and the properties physico-chemical of these salts, and thereafter, the res..lt ~ tc obtained in conducdvity for some of them. It may seem strange to be interested in cont ~ n ~ n ~ acids of grol.pe- ~ ntc cyanées conn ~ ic ~ nt their instabilities with respect to lithillm, in particular for acetonitrile. However, if we s ~ 30se that the slow cyan ~~ gloups placed on the considered anion participates in the relocation of the charge, these are st ~ bili.céc. Therefore, it is possible to use g, oupe ... çntc cyanés for salt synthesis, this justifies our interest in derivatives of malononitrile and c ~ e ~

!
Fan ~ ille of anions deviating from malononitrile: Malononitrile, cyan equivalent of TFSM, being more basic than this one - 9 pKa units ~ its carbanion is more nucleophilic than that of TFSM. Therefore, it is easy to synthesize many derivatives by s ~ lbstit ~ ltion nucleophile on c ~ rbanion of m ~ lononitrile by an electrophile radic ~ l (E), as illustrated in Figure 3.20. With perrnett ~ nt radicals to relocate the anionic charge (such as M (1ic ~ aryls, carbonyls, sulfonyles, or cyanos), soft deloc ~ li.cées bases are obtained, the conjugated acids of which are relatively strong. If we take the example of tricyanomethane, l., ~ Igu ~ C 3.21 nGUS shows that the anionic charge is delocalized on the central carbon and by the three cyan functions, this justifying its pKa ~ -5 [March] relative to water, 16 units lower than that of malononitrile.
c ~ N c ~ N c ~ N C4 ~ N

~ N E - C ~ l ~ O ~ C ~ 3N = CC ~
C ~ N
Figure 3.20: Synthesis of delQ ~ AIi ~ és Figure 321: D, _, ~ r:, 3 ~ n of the charge an ~ e of from the anion of malononite. :. 'e tricy ~ noi "t: ~ l, dne by resonance.
We could also have considered hexafluoroacetylacetone as a substitute for TFSM, cepen ~ nt, M (~ ir ~ n ~ c electrophiles reactiCs ~ n ~ preferell ~ iPllPment on the oxygen of its carbanion to form a mixed anhydride IV ~ I, it is not possible to synthesize derivatives thereof starting from simple chemical reactions, which greatly limits their interest. In addition, the methane tris (trifluoroacetyl) hydrolyzes in water (or in alcohol) at room temperature giving he ~ fluoroacetylacetone and trifluoroacetic acid [V ~], this is incompatible with basic chemistry such as that specific to lithium batteries. On the sidelines of the problems posed by the synthesis and chemical stability of derivatives of hexafluoroacetylacetone, the compounds B-dicarbonylated chelating cations, and in particular the lithium cation, it & ut expect a less dissociation of their lithium salts in the polymer. Note, however, that this property could be taken advantage of for the transport of lithium by a mechanism vehicular II P ~~ "'~ 3], the principle of which is to compensate for the low number of transport of lithium (t + ~ 0.3) in the POE by masking it with the polymer using complex ~ n ~ c, thus allowing its transport in anionic form.

Let’s come back to the synthesis of malononitrile derivatives, the carbonyl derivatives of malononitrile s'obtipnnp-nt essentip ~ llement by acdon of a carbonyl possé ~ nt a leaving group in the form of an acyl chloride [Kemll, an acyl cyanide [~ l ~ l, an acyl azide [7], a anhydride U, of a carboxylic ester ltl on a salt, usually sodium, of malononitrile.
Unlike the previous methods, diethyl phosphorocyanidate [JaP1], of formula (EtO) 2P (O) CN, in the presence of a base, allows the directPment malononitrile to be coupled with a carboxylic acid. In the same way, we obtain the tricy ~ named ~ h ~ ne by acdon of bromide or cyanogen chloride on the anion of malononitrile 0. Strangely, the only example to our conn ~ isC ~ rce of sulfonyl malononitrile described in lillél ~ tu ~, in this case, e-lce tolu ~ neslllfonyl malononitrile, is not synthesized by the action of a sulfonyl halide on the anion of m ~ lononitnlp ~ but by treating the anion of tolu ~ nesulfonyl acetonitrilP by BrCN [a'lc ~ ar ~ dl Les aryls malonor i ~ rile5 are obtained in the same way from anions of aryl acetoni ~ riles treated by BrCN or ClCN a.

We have grouped in Table 3.10 various pKa values of malononitrile derivatives by relative to the acidity scale in water or in Dl ~ SO. It appears that the pKa measures of anj l ~
water / dioxane mixture are more basic than the values obtained in sulfuric acid solution or in DMSO, there is thus a difference of 3 pKa units for malononitrile. In addition, if we compare the acidity of acetyl malononitrile in the water / dioxane mixture and that of the ester of malononitnl.o. in aqueous sulfuric acid, the two values differ from 8 pKa units. Gold, based on the pKa determined for TFSM in DMSO and taking into account that the effect of s ~ lbs ~ ih ~ n ~ is lessened in water [Bo ~ well3], we can expect a maximum difference - 2 pKa units ~
or a difference of ~ 6 pKa units considering only the effect of the solvent on the acidity.
Table 3.10 Acidity of malononitrile and its derivatives in water and in DMSO.
Acid pKa F ~ h ~ lle Solvent reference CH2 (CN) 2 11.2 H2o H2O [Pearson3]
CH2 (CN) 2 14.1 H2OH2O / Dioxane 1/9 (Vol.) [Kem2]
CH2 (CN) 2 11.1 DMSO DMSO [Bordwell1]
PhCH (CN) 2 5.8 H2O? [Josey]
PhcH (cN) 2 4.2 DMSO DMSO [Bordwell1]
p-NO2PhCH (CN) 2 1.9 H20? [Hartzler]
MeO2CCH (CN) 2 -2.8 H2O H2O / H2SO4 [Boyd1]
MeCOCH (CN) 2 5.2 H20H20 / Dioxane 1/9 (Vol.) [Kem2]
PhCOCH (CN) 2 4.3 H2OH2O / Dioxane 1/9 (Vol.) [Kem2]
p-NO2PhCOCH (CN) 2 3.6 H2OH2O / Dioxane 1/9 (Vol.) [Kem2]
HC (CN) 3 -5.1 H2O H2O / H2SO4 [Boyd1]
This significant difference can be explained by the fact that if dioxane makes it possible to solubilize acids organic insoluble in water, this solvent is not very acceptor in the sense of Lewis, moreover the symmetry of the molecule makes it unpolar. On the other hand, the pH measurement is done using a glass electrode whose measurement is referenced to that obtained for an oAo solution of 10-5 M perchloric acid, it assumes that the behavior of anions derived from malononitrile is identical to that of perchlorate in the mixture Dl water / dioxane. It is therefore more interesting, in this case, to refer to the values obtained in aqueous sulfuric acid solution, concentrated solutions (~ 50% in volume) of sulfuric acid are more donor than water alone. In addition, the soft bases deloc ~ li.sé ~ s derived from malononitrile must be better solvated in DMSO, as illustrated the example of phenyl malononitril ~, this reason ~ ment may extend to poly (ethylene oxide).

!
Another parameter to consider is the electrochemical stability of the anions deriving from the malononitrile, also we have grouped in table 3.11, the oxidation potentials, d ~! ~, ... in ~ s in the DMSO, of some anions [Kem21, referenced here to a lithium electrode.
Table 3.11 '~ t ~ l oxidation vs. (Li + / Li ~) of malononitrile and denv ~ s in DMSO.
Acid CH2 (CN) 2 CH3COCH (CN) 2 PhCOCH (CN) 2 p-NO2PhCOCH (CN) 2 Eox (A-) ~ 3.75 z 4.48 ~ 4.52 ~ 4.62 These values are determined by cyclic voltammetry using lithium perchlorate as bottom salt, gold, for anions çhél ~ trnts the lithillm cation, the anionic charge being thus partially stabilized, the measured oxidation potential is apparently higher. So for acetylacetone which has a high association constant with Li + (pKaSs = 4.77), the potential of apparent oxidation is 520 mV higher with LiCl04 as the bottom salt compared to the value obtained in llt ~ rnt Et4N + BF4-, the tetraethylammonium cation not being complexed by acetyl ~ ketone IB "~ 1. However, the anions that we consider are not very complex with respect to Li + screws, for example pKaSS <1 for malononitrile [~ o ~ well1], we do not have to causes the values of the oxidation potentials for these. On the sidelines of this problem of comple ~ rtion of Li +, the potentials being determined with respect to ferrocene, it is necessary ~ ire to calibrate its potential with respect to the normal hydrogen electrode. The differences observed between different authors are explained by a problem in the reference chosen for this couple, at the time current, we admit that the ferrocene couple is ~ 719 mV in DMSO compared to ENH [E '~' ~ "4l We therefore directly obtain potentials referenced to a lithium electrode in adding ~ 3.719 V to the values referenced to ferrocene. We can then connect the potential oxidation of the anion to pKa of its conjugate acid [Kem21, as illustrated in figure 3.22, for lead to the following linear relation:
Eox (A ~) = 4.89 ~ - 0.0812 pKa If we express this equation in trr ~ -icrnt 4.8 the potential and the pKa in kcaVmole, one 4,6- ~ p-NO2PhCO¦RCH (CN) ¦
leads to a slope # 1.37. This result is PhCO ~ CH CO 2 not restricted to the derivative of malononitrile, J 4.4- \ ~ -but this is also true for the anions t ~ 4 2- \
derivatives of hydrocarbon acids (cyclo- \
pentr ~ i ~ nyle, indenyl, fluorenyl, ..) [KelT ~ 2]. 0 4 -More recent work [E ~ ~ 11 on these 3, 8 - ~ H ~ rniPrs anions for which the potential 3,6 oxidation and acidity were determined 2 4 6 8 10 12 14 16 in the DMSO show a slope close to pKaH20 of the unit between the oxidation potential and Figure 3.22: the evolution of the anion oxidation policy ~ ~ Derivatives of malononitrile according to their acidity.
PKa expressed in kcal / mole ~ ela assumes in 2i94127 ..
fact that we can link the pKa in water and in the water / dioxane mixture by a linear relation, which is conceivable by referring to r ~, slllt ~ ts obtained for phenol and its derivatives in water and in the DMSO, as we mentioned before ~ nt We will retain this hypothesis to estimate the oxidation potentials of certain anions in DMSO. It should be noted that this re ~ isonnpment can only apply for anions of illU ~; lult; simil ~ ire, and i ~ lement on anions where we substitute) e one of the gronpçm ~ ntc on a given substrate, limit ~ nt thus the effect of securing radicals, as we have set it out for the anions of the TFSM family. In particular, conn ~ iss ~ nt the effect of replacing an acetyl group with a group trifuorométh ~ neslllfonyle in ~ ketone (~ pKa ~ 17), and in acet ~ mide (~ pKa - 16) IBordWell6] ~ on can expect increased oxidation potential from acetylmalononitrile to trifluororn ~ th ~ neslllfonylmalononitrile - 1 V, i.e. an anion oxidation potential ~ 5.5 V close that of the TFSM (Eox = 5.35 V).

We have also considered cy ~ n ~ mide (of formula H2NCN), product of great chemistry organic, in the cyan carbanion family, for the synthesis of salt. Indeed, one can im ~ gjner to synth ~ ticer ~ for example, a sl1bstitut at TFSI in which one of the fluorinated groups (-SO2CF3) is replaced by a non-fluorinated gronp.oment (-CN) reducing the cost and the weight accordingly of the molecule. This salt for which we can expect less acidity ~ 4 pKa units per compared to TFSI, an estimated value of pKa ~~ 3 in DMSO, should however remain so sllffic ~ mm ~ nt to be dissociated in the POE.

All this fully justifies our interest in cyan anions, despite the doubt that may remain on the stability of cyan groups with respect to lithium, this particular point cannot be decided, in our opinion, only by long-term battery tests, this going beyond the framework of our works. Also, we will present below the possibilities offered by the cyanated acids deriving tetracyanoethylene.
Family of anions derived from tetracyanoethylene: Work on tetracyanoethylene (TCNE) and its derivatives come essentially from a research program pursued by the Dupont de Nemours company in the 60s and 70s aiming to develop a cyanide substitute for Teflon ~ 'developed by the same company in the 1950s.
the impossibility of syn ~ h ~ ticking such a polymer, this research resulted in an N ~ ", N
extensive knowledge about the chemistry of cyan compounds and their characteristics> ~ <
physico-chemical (pKa ~ optical absorption, oxidation potential, ...), and at N ", cc ~ N
writing of articles of complete reviews on this subject ~ Websbr1, y. We will not specify TCNE
not in detail the possibilities offered by this chemistry, the reader more particularly interested who can refer to the previously cited review articles. We will have the opportunity to return to this work during the study of heterocyclic anions, and molecules with redox properties.

21 94 ~ 27 , ..
We have grouped in Table 3.12 the acidities obtained for some of these anions in sulfuric acid solution relative to the acidity scale in water. From the TCNE, it is therefore envi ~ a ~ P ~ IP to obtain deloc soft bases ~ lily ~, es whose conjugated acids have '~ ci ~ lit6s typically between 0 and - ~; the lithium salts thereof should therefore be potentially dissociated in aprotic medium, and more particularly in POE.
Table 3.12 pKa of cyan acids derived from tetracyanoethylene relative to water.

NC ~ ~ C ~ H + 0.6 ~ C: = C; -N = C ~ -C ~ 3 H + -6.07 p ~ li ~. .;., ~ I) -phenyl- e ~ al ~ o ~ mine di ~

NC CN, CN NC Hl CN
OC ~ -C = C ~ -C ~ H + -3.55, C = C ~ -C ~ H + -8 D ~ i nc T ~ - ~ pJ ~ pène NC H
NC O H + NC ~ ~ CN
~ C: = C -5.3 ~ C = C ~ -8.5 NC CN NC C; -CN
NC ~ H +
Alcooll ~;. "Li ~ e ~ c 'Db ~ tylène It should be noted that for acids incorporating the tricyanovinyl radical, it is not possible to scour a form of resonance for the cyano group placed in a of the malononitrile motif, as this is illustrated in Figure 3.23. Theoretical calculations of quantum mechanics [Boyd2l thus show that the ~ R = 13, ~ R _ C ~ O - C = R =

Figure 3.23: Resonance form of the tricyanovinyl radical.
effective load is lower on the nitrogen of this groupemPnt We can therefore consider a lower st ~ bilit ~ de ce ~, pe ~ "Pnt cyano with respect to a lithium electrode. Even if it is only of a hypothesis, which should be confirmed by a battery test, we did not in ~ éless ~ s in a plc; first time with these anions.

~ - 56 -II-3-2-2 Synthesis of anions:

TFSI family anion:
, ~, ~ CF3SO2NLiSO2N (CH3) 2: 26.85 mmol (4.004 g) of CF3SO2NH2 (Fluorochem), 26.85 mmol (3.856 g) of medium dimethylsulf chloride (Aldrich, 99%), and 53.71 mmol (5.435 g) of tncthyl umir.c scnt acts ~ s penu ~ nt .lu ..; re days in TH ~, u, h ~ dre. L., pr ~, hydrochloride response of triethylammonium is then removed by filtration, the THF evaporated, then the product taken up in the water. Then added ~ 30 mmol of KHCO3 (3 g), after release of CO2, the water is evaporated, the product dried under vacuum at 60 ~ C overnight, then taken up in methyl formate, filtered, and dried again. The product is obtained with 85% yield NMR analysis of fluorine in CD3CN, gives a majority peak at -74.019 ppm (CF3SO2N (TEA) SO2NMe2), and a peak at -75.741 ppm (CF3SO2NH2), which represents 2.6% of the fluors present. An aqueous solution of product is then buffered to pH ~ 4, washed with ether to remove the trifluorométh ~ nPs.llfAmi ~ e unreacted, acj ~ ifiPR at pH ~ 1 with a 4M solution of hydrochloric acid, then extracted with diethoxyethane. Lithium salt is obtained by adding lithium carbonate (10% excess), once dry the product is taken up in methyl formate and then dried under vacuum at 60 ~ C overnight. NMR analysis of fluorine and proton shows that the salt of the dimethylsulfamoyl trifluorométh ~ nP-sulfonyl imide in the form of a pure white product.

Malononitrile & Thousand Anions:

~ CHLi (CN) 2: the lithium salt of malononitrile (Aldrich, 99%) is obtained by treating it with a equivalent of lithium hydride in dimethoxyethane or cold tetrahydrofuran (~ 0 ~ C); the hydrogen evolution stops quickly and the salt is then used in situ after a period of time 15-30 mins. If this salt is to be treated with a halide, two equivalents of LiH, the second later serving as a base.

~ CH3COCLi (CN) 2: acetylmalononitrile is a commercial product (Aldrich, 98%). Salt lithium is prepared by treating the acid with an excess of lithium carbonate (~ 20 mol%). After evaporation of water, and ~ h ~ ge of the salt overnight at 50 ~ C under vacuum, the product is taken up in the bike ~. ; the, filtered, and vacuum dried at SO ~ C for ~ 24 hours. The infrared spectrum of the product shows an intense peak of absorption of the nitrile function (~ 2200 cm-l), and the absence of a peak co ~ l ~,., polldant with a carboxamide function (~ 1650 cm-l) which could have resulted from the hydrolysis of cyan functions of the product.

~ CF3COCLi (CN) 2: the trifluoroacetylmalononitrile is synth ~ ti ~ ed by treating the lithium salt of malononitrile by trifluoroethyl trifluoroacetate (Aldrich, 99%), this reagent being a substitute stable and manipulable with trifluoroacetyl chloride which has the disadvantage of being ._ gaseous (Teb = -30 ~ C) and easily hydrolysable, in cold dimethoxyethane (z 0 ~ C) for ~ 2 hours, then at room temperature ~ .alulG for ~ 24 hours. After evaporation of the solvent, the product is taken up in methyl formate, filtered, then dried for z 24 hours at 60 ~ C under empty. We obtain at this stage a rçn ~ çment z 80% lithium salt of trifluoroacetylmalononitrile, the produces p ~ se ~ nt a slight fluorescent green tint. Fluorine NMR analysis performed in CD3CN has a major peak at -68.325 ppm (CF3COC (CN) 2Li) and a minor peak at -71.4239 ppm. Le recol-i des;, urraces ues deuic pics inuiqUeill a pUI ~ C / ~ 0 pOUI '; e pl ~ Jd ~ vi ~ ~ L Vi ~ i du fluorine.

~ PMAMLi: first, the polymerization of trifluoroethyl methacrylate (Lancaster, 98%), initiated by AIBN (1% by weight), is carried out in anhydrous THF at 80 ~ C for z 24 hours. After bringing this solution to 0 ~ C, a solution is added to the EMR of m ~ lononitrile (20% in excess) treated with lithium hydride (10% in excess). The polyelectrolyte formed pl ~ cipite in THF during the reaction. After 24 hours, the solution is centrifuged, and the polymer dried at 60 ~ C under vacuum. The synthesis is illustrated in the figure below:

CH2 = C THF 80 ~ C ~, ~ n CH2cN2 ~ 2LiH, ~ 3'n AIEN DME
C = OC = OC = O
OO, C
CH2 ICH2 N Lj + N

~ RSO2CLiC (CN) 2: the synthesis of sulfonated derivatives of malononitrile from chlorides of sulfonyles show a rapid coloration of the solution concomitant with the oxidation of the malononitrile, especially for trifluoromethanesulfonyl known to be a dimethyl malonate IT'Jli ~ nl chlorinating agent. So we have used mainly suLfonyles fluorides, fluorine being more solvated than chlorine, it is thus made less oxidizing than this despite its superior oxidation potential.

Meth ~ nesl-lfonyl and paratoluenesulfonyl malononitrile are obtained by treating the salt of malononitrile lithium by respectively, an equivalent of methanesulfonyl fluoride (Lancaster), or an equivalent of paratolu ~ nesulfonyle (Aldrich, 99%) in pl ~ sellce of an equivalent of LiH, in cold tetrahydrofuran (z 0 ~ C) for z 2 hours, then at room temperature ~ .d ~ l ~
pçn ~ nt ~ 24 hours. The solution is then centrifuged to remove the LiF formed and then evaporated.
After drying ~ ge at 50 ~ C under vacuum for z 24 hours, the lithium salts are taken up in the formate methyl to remove the LiF which may remain in the product, then dried for # 24 hours at 60 ~ C under vacuum. The slightly colored lithium salts are thus obtained, with a yield of 90%.
Microanalysis of these products and 1 H NMR (80 MHz) confirm ~ the purity of these products:

2 ~ 94127 CH3SOzCLiC (CN) 2:
RQUII ~ lS% C% H% N% S
e 32.37 2.06 18.63 20.58 C4H3S02N2 32.01 2.01 18.67 21.36 1 H NMR (80 MHz, CD3CN):

CH3PhSO2CLiC (CN) 2:
Results% C% H% N% S
~ analysis 52.67 3.11 12.32 13.3 CloH7SO2N2 53.1 3.12 12.39 14.37 1 H NMR (80 MHz, CD3CN):

Since trifluorometh ~ nPsulfonyl fluoride is not commercially available and gaseous, we used trifluorometh ~ nesulfonyl imid ~ 7ole (Fluka, - 97%), imidazole being a fairly good leaving group which also has the advantage of being relatively stable to hydrolysis and liquid, while by being less oxidizing than the chlorinated derivative. Thus, the lithium salt of malononitrile is treated with an equivalent of this product in dimethoxyethane when cold (~ 0 ~ C) for ~ 2 hours, then at room temperature for ~ 24 hours. After evaporation of the solvent, the product is dried for ~ 72 hours at 60 ~ C under vacuum in order to eliminate the imidazole produced during the reaction, taken up in methyl formate, filtered, and finally dried for ~ 24 hours at 50 ~ C under vacuum. The product is obtained colored with a yield of ~ 70%.

~ LiC (CN) 3: The lithium salt is obtained by ion exchange, by treating the potassium salt (Alfa) with an equivalent of anhydrous lithium chloride in THF. After ~ 30 min, the solution is evaporated, the product dried in a vacuum desiccator at 60 ~ C overnight, taken up in etQnitrile anhydrous, the solution filtered, evaporated, and lithuim salt dried overnight at 60 ~ C under vacuum.

C ~ -ide:

~ LiN (CN) 2: sodium bis (cyanoimide) is a commercial product (Aldrich, 96%). We obtain its silver salt by treating it with an equivalent of silver nitrate in water, this insoluble salt is then treated with an equivalent of lithium chloride After ~ .limin ~ tion by filtration of the chloride of silver formed, the solvent is evaporated, then the product dried for 24 hours at 50 ° C. under vacuum. Salt is then taken up in methyl formate, filtered, and again dried ~ 24 hours at 60 ~ C under vacuum.

~ CF3SO2NLiCN: the trifluorom derivative ~ th ~ neslllfoné of cy ~ n ~ mide is obtained by treating the di-salt sodium (~ 20% molar excess) of cy ~ n ~ mide with trifluorometh chloride ~ nesulfonyl in tlim ~ cold thoxyethane (# 0 ~ C) pçn ~ l ~ nt - 2 hours, then at room temperature for 24 hours. By filtration and evaporation of the solvent, the excess cy ~ n ~ mide and the chloride are eliminated no reacts. After evaporation of the solvent and drying, the sodium salt is taken up in THF and treated by an excess of sodium chloride (z 10%). After evaporation and drying, the product is taken up in methyl formate, filtered, and finally, the evaporated solvent and the product dried z 24 hours at 50 ~ C
under vacuum. Fluorine NMR analysis in CD3CN gives a major peak at -74.1891 ppm (CF3SO2NLiCN) and two minor peaks at -74.3893 ppm and -75.0165 ppm, the area ratio indicating purity ~ 80% with respect to lluor.

!
II-3-2-3 Conduct:

TFSI family anion:

The conductivity of the lithium salt, for a composition at O / Li = 12/1, of dimethylsulfamoyl trifluorométhanesulfonyl imide, which we will call more simplem ~ nt diméthylaminoTFSI est rlncc on figuic 3. ~, cn comp, ù.iis., il ~ iv ~; C h CùiluuC; i vii ~ du Li l r. ~, / Li = b / 'i.

1 o-2,,,, I, --- 1 0 3 ~ ~ ~ ¦ Me2NSO2NLiSO2CF3 ¦
E ~ _ E 10'4 ~
O
.10 5 -- o O / Li = l 2/1 0 6 TFSI O / LI = 8/1 - -2, 5 3 3, 5 1000 / T (K) Figure 3.24: Conductivity curve for dimethylaminoTFSI.
Despite a pKa that can be estimated at least five units greater than that of the TFSI, this anion gives a conductivity which is only a factor two lower than that obtained for the anion of the TFSI. This example proves that it is thus possible to synthesize derivatives of TFSI not containing than a perfluorinated group, while retaining appreciable conductivity in the POE. This the result is interesting for several reasons. In fact, most of the cost of the TFSI comes from the n ~ ce-csit ~ to go through an expensive electrochemical fluorination step, therefore, if we reduce half the amount of fluors present in the molecule, it is possible to reduce its cost. On the other hand, these compounds open the way to a whole family of salts with properties surfactants, for which we can hope to control the physicochemical properties, by nature and length of the alkyl chains present on the nitrogen; well, it's likely that his homologous with two grwp ~ e ~ ts propyles give even better conductivity of this salt in the POE.
This synthesis opens eg ~ llomçnt the pe ~ e to obtain salts carrying crosslinkable functions pe puts ~ nt to graft them. This relatively simple reaction to transform a halide from sulfonyl in a dissociated salt, should even ~ lemçnt allow to solubilize in the POE various molecules, such as redox species, and thus introduce different functionalities within polymer electrolytes, such as overload protectors I

Anions d ~ of the ~; ~, ~ ide:

~ LiN (CN) 2: The conductivity obtained, at decreasing temperature ~ nte, for the lithium salt of the bis (cyanoimide) for different concentrations is given in Figure 3.25, with reference to the conduc ~ é of LiTFSI of composition O / Li = 8/1 [SYllal which will serve as a comparison ~ l ~ mPnt in most c ~ s. The three conductivity curves (O / Li = 8, 12, and 16) initiate a break li ~ e à la recr ~ LroiyL ~ ~ i ~ SO ~ c. Above this temperature, the lithium salt bis (cyanoimide) makes it possible to obtain conductivities lower by about an order of magnitude to that of LiTFSI at O / Li = 8/1, which nevertheless represents a completely interesting result for views of the simplicity of the anion in terms of chemistry and its low mass (LiN (CN) 2 = 71 compared to 287 for LiTFSI).

1 o 2 1 ~
¦ (Nc) 2NLi ¦

E ~ o - O ~

'~ D \ Q \
- 6- ~ O / Li = 8/1 ~
10 - OO / Li = 12/1 o 7- 0 0 / Li = 16/1 10 ~ TFSI O / Li = 8/1 1 o-8 2.5 3 3.5 1000 / T (K) Figure 3.25: Conductivity of the lithium salt of bis (cyanoimide).
The potential interest of this salt is obviously ~ nt conditioned to the electrochemical stability of the anion of bis (cyanoimide), especially with respect to a lithium electrode, the oxidadon potential of the anion which can be esdmated, as for LiTFSI to a value greater than 530 mV than that of malononitrile or ~ 4.3 V.
We could be criticized for not having sought to confirm this result by a study electrochemical of the redox stability domain of the bis (cyanoimide) anion in POE, however, at first, it seemed to us more important to define the f ~ miles of anions may give rise to lithium salts suffi.c ~ mment dissociated in the POE. Furthermore, as we have already begged for it, the experience acquired for more than ten years as part of the project ACEP shows that it is difficult to escape a real test, in standard con ~ itions, of cycling in battery of new materials to validate or invalidate their uses. These tests allow compare the performances obtained for a new salt both in terms of cyclability, p - iss ~ nce, and thus define the potential field of application of a new material. He is in ~ 21 9 41 2 7 effect n ~ stop ~ ire to keep in mind that the applications of batteries to electronics are gener ~ l ~ ment less contr ~ i ~ n ~ n ~ es in terms of pui ~ s ~ nce and cyclability, unlike applications for electric traction. This first example shows us that it is completely possible to find lithium salts based on non-fluorinated chemistry present ~ nt a c ~ nductivity certainly inf ~ -; e ~ to that of LiTFSI, but allows ~ nt at least to consider their Uses in primary or secondary battery systems of low cost using non-crict electrolytes ~ is: ~ bles e ~ poLenLiellement plasti ~ les.

On the sidelines of the problems of possible applications of this m ~ t ~ n we have gathered on the figure 3.26, the con ~ uctivity of different anions of the TFSI family for O / Li = 8 / l. It is interesting to note that the order of the conductivity values respect the order of the attractiveness of the substit1l ~ ntc, allowing to link the increase in conductivity to a better dissociation:
, attractor effect of the substituent: CH3S02 <CN <CF3CO <CF3S02 If it is once again assumed that the difference in acidity obtained in DMSO, for the anions of the family of the TFSM, is kept for the anions of the family of the TFSI, the gain -4 pKa units, resnlt ~ nt of the substitution ~ ltion of the methylsulfonyl group with a nitrile, corresponds approximately to a increase of an order of magnitude by conductivity. On the other hand, the substitution 1 o-2 of the nitrile group by a group ~ E 1 ~ -3 ~ CF3SO
trifluorom ~ th ~ nesulfonyl causes ~ 1 0 4 - C ~
decrease in the basicity of the anion ~ 9 E ~ C ~ F CO ~ E}
pKa units, resulting in an increase ~ 1 o - 3 conductivity of only one order _ 1 o 6 of greatness. It is likely that everything ~ R2NL ~
as for liquid media, the ~ 10 - CH3SO2 conductivity ~ increases when the salt is 1 o-8 ~
more dissociated, in other words when 2, 4 2, 6 2, 8 3 3, 2 3, 4 the anion becomes less basic, until 1000 / T (K) as the solvation energy of the anion polymer dis ~.; ~ s belonging to the family of imides.
with respect to salt becomes greater than the energy of solvation and dissociation of salt. This remark actually refers to the concept of given number of anions previously introduced (Cf II-3-ll).

Identically to the TFSI, it would be important to be able to have the values of the DNX- ~ solv of these different anions, and in particular in media such as low mass liquid glymes (M ~ 100-300), which would correlate the thermodynamic data obtained by spe .; ~ tri ~, to conductivity measurements cl ~ termin ~ es in poly (ethylene oxide) medium, and so to make a link between the physical chemistry of liquid solutions, and that specific to the polymer medium.

~ t 941 27 _ CF3SO2NCNLi: The conductivity of the lithium salt of trifluorom ~ sh ~ nesl-lfonyl cy ~ n ~ mide is given in Figure 3.27 for dirré ~ ntes compositions (O / Li = 8, 12, and 16). Conductivity obtained is only two to three times lower than that of TFSI, and therefore allows to gain almost an order of magnitude on the conductivity of bis (cyanoimide), as illustrated in figure 3.28.
1 o-2 CF3SO21'1 L ~ 5 _ ~ 0 ~ 4 - ~

: ~ o O / Li = 8/1 ~ \
1 o-6 _ o 0 / Li = 12/1 \ -oo O / Li = 16/1 1 o'7 - TFSI O / Li = 8 1 o.8 2.5 3 3.5 1 oOO / T (K) Figure 3.27: Conductivity of the lithium salt of trifluoromethanesulfonyl cyanamide.
In addition, the electrolyte of composition O / Li = 8/1 does not recreate ~ t ~ lli.ce that from ~ 40 ~ C, or - 10 ~ C in below the electrolyte of the same composition with bis (cyanoimide), it is likely that this lowering the temperature electrolyte melting, i.e. to be connected to the 1 o-2 presence of the triflyle grouping in -E 10'3 ~ ~ _ ¦ 0 / Li = 8/1 ¦ -the molecule, in accordance with the _ "4 _ ~ --3 ~ - ~ -previous results ~, on the influence of E
salt concentration on the --1 0 ~ 5 glass transition temperature of '1 o-6 _ e N (CN) 2 \ \ E3 _ polymer electrolytes (Cf II-3-1-3, ~, ~ CF3SO2NCN \ ~
table 3.4). o 10 7 _ TFSI \ ~, 1 0 ~ 8 To conclude with the anions 2, 5 3 3, 5 1 000 / T (K) cyanimide derivatives, Figure Figure 328 Com ~ iSOn of conduc ~ ivity of Ijthium salts ~ .28 allows to compare the of the bis (cydn ~, 'e) and the trfflu ~ ru ,,, ~ lhanesulfûnyl cyanimide conductivity of the lithium salt, bis (cyanoimide) and trifluoromethanesulfonyl cyanamide, respectively, for a composition at O / Li = 8/1.

A ~ ions of;. ~ Ls of malononitrile:

The chemistry of malononitrile being relatively easy to access, we wanted to study the infl-lP.nce on the conductivity of the nature of the substituent, namely acetyl, methanesulfonyl, para-tol ~ l ~ nesl ~ lfonyle, cyano, trifluolu ~ célyl, and finally trLfluorû ~ h ~ neslllfonyl m ~ onitrilp ~ In order to to simplify the presentation of the results, we give on figures 3.29, 3.30, and 3.31, the iso ~ hermes of conduclivities respec ~ ively for the compositions at 0 / Li = 8, 12, and 16/1, and this for lel ~ peldtures between 40 and 100 ~ C for these different anions.
1 o. 2 I 0 / Li = 8/1 1 ~
- ~ 10 3- _.
_o - 100 ~ C ~
0 1 0 - = ~ = = ~ ~

, 5- ~ /

0 1 o- 6 _ e /

1 0 7 1 1 ~ oN <~, O
s ~ s ~
Figure 329: Isotherm of conductivity for anions derived from malononitrile at O / Li = 8/1.

1 o 2 1 ~, ¦ O / Li = 12/1 ¦
~ 10-3-_ "- 1 00 ~ C ~
F 1 o 4 - 80 ~ C ~ ~~ a ~) 5 - 50 ~ C ~ - ~ / -~ a ~ 10 ~ 6 - 7,

8 o o~ ~, o Figuro 3.30: Is~ll.er",e de conducthité pour les anions dérhan~s du malononitrile à O/Li = 12/1.

102 1 1 1 1 l l ¦ O/Li=16/1 ¦ ~
--1 o 3 - ~ _ - - 80~C ~ L ~
s 10 4 -60~C O O Ef ~ -- 50~C [1 ~--10 5~
f 3--1 o-6-40Oc o 0'= O~ ~ O

Figure 3.31~ l,e""e de conductivité pour les anions dérivants du malononitrile a O/Li = 1 6/1.
Comme nous pouvons le constater, la conductivité des sels de lithium pour O/Li = 8/1, et lorsque l'électrolyte est dans un état entièrement fondu, augmen~P, avec la nature du substituant suivant:
MePhSO2 < MeCOz MeSO2 ~ CN < CF3CO < CF3SO2 La moindre conductivité observée dans ces conditions pour le toluènesulfonyl malononitrile vis à
vis de l'acétyl malononitrile, malgré le moindre pouvoir attracteur de ce substituant, peut s'expliquer par la présence du groupement phényle qui doit rigidifier la matrice polymère, et ainsi entraîner une augment~tion supérieure de la température de transition vitreuse du POE avec la concentration en sel, comme l'illustre les résultats précé~emment exposés sur le tétraphénylborate (Cf II-3-1-3, tableau 3.4).

Il est intéressant de conct~er, que pour un substrat donné, la conductivité est essentiellement liée au pouvoir électroattracteur du substituant, concourant ainsi à faciliter la dissociation du sel envisagé
dans le poly(oxyde d'éthylène). Hormis les problèmes de structure des anions, telle la présence d'un groupement phényle rigidi~lant l'électrolyte, les lois régiss~n~c la dissociation des sels en milieu polymère, semblent donc être somme toute cohérente avec les r~sultats obtenus en milieu liquide.

Les deux figures données ci-dessous permettent d'évaluer l'influence de la substitution d'un carbonyle par un sulfonyle dans l'acétyl malononitrile (figure 3.32) et son équivalent fluoré (figure 3.33). Dans le premier cas, la conductivité est proche pour les deux sels, mais la présence du sulfonyle dimimle la température de fusion de l'électrolyte pour une composition O/Li = 8/1. Pour les produits fluorés, la présence du sulfonyle permet ég~l~m~nt d'étendre la zone ou l'électrolyte est amorphe, et entrâîne de plus une augment~tior~ de la conductivité d'un facteur deux environ.

1 o-2 , , I , , , , 10 3 O ~
E 1 ~ 3 ~ O/Li=12/1 1 -~ E 1 0 4 r ~ g E 1 0'4 o _ o '~D 10 5 o ~
o CF3COCLi(CN)2 10 7 - o LiNCN)2 ~
c 10 6 - o CF3SO2NLiCN la O 1 0 ~ ~ o CH3COCLi(CN)2 10 7 ~ 10 9 2,5 3 3,5 2,5 3 3,5 1 000/T(K) 1 000/T(K) Figure 3.32: Comparaison entre CH3CO et CH3SO2 Figure 3.33: Comparaison entre CF3CO et CF3SO2 malononitrile pour une c~""~sitien à O/Li = 8/1. malononitrile pour une co"",osition à O/Li = 8/1.
Nous avons voulu par la suite comparer la conductivité des anions dérivants de la cyanamide et du malo~ollitrile Comme l'illustre les figures 3.34 et 3.35 donn~Rs ci-dessous pour des électrolytes de compositiQn.C O/Li = 12/1, le dérivé cyané de la cy~nimi-le présente une conductivité équivalente à
l'acétylmalononitrile, et le dérivé trifluorométh~nesulfoné à celle du trifluoroacétylmalononitrile Nous pouvons en conclure que le g-~up~lllent malononitrile permet une meilleure dissociation des sels de lithium dans le POE pour un sl)bstib)~nt donné comparativement au groupement cyanimide.
1 o-2 ,, , ~ 10 2 E103 ~ O/Li=12/1 ¦ _ E10'3 ~ ~ ¦0/Li=12/1¦ -o 10 4 - o - o 10 4 o 0 5 o - ~1 o'5 -o CF3COCLi(CN)2 " ~ C~3CCcLi(cN)2 o 1 ~ ~ O CF3SO2NLiCN _c 1 0 - O C~39t)2NLiCN b~
107- ' '' ' I ' ' ' ' ~ 107 ' ' ' ' I
2,5 3 3,5 2,5 3 3,5 1 000/T(K) 1 OOOIT(K) Figure3.34: conl~ardison entre CH3COCLI(CN)2 Figure 3.35: Comparaison entre CF3COCLi(CN)2 et etLiN(CN)2 pour une cen"~o~;tion 0/Li=12/1. CF3SO2NLiCN pour une con"~os;tien O/Li= 12/1.
La figure 3.36 donne la conductivité respectivement du sel de lithium et de potassium du tricyanorn~th~ne pour une même composition O/M = 14/1. Le sel de po~csium du tricyanométh~ne est certes plus conducteur que le sel de lithium à des ~ll-pél~tures inférieures à z 60~C, et présente ainsi une conductivité - 10-5 n-l.cm-l à 25~C. Par contre, il est intéressant de constater que les sels de lithium et de potassium, lorsque l'électrolyte est dans un état fondu, présentent la même conductivité ce qui semble indiqué que dans ces con~itions le sel de lithium du tricy~nom~th~ne est entièl~,.-lent ~ csorié dans le POE; cette hypothèse est cohérente avec le pKa~-5 déterminé pour le tricy~nom~th~ne relativement à l'eau.

10 3 1 o-2 E10 ~ ~ C)3CLi¦ _ E10 ,1o-6~ 10 5 - (CF3so2)2NL
o O/Li=14/1 ~ ~ ~ CF3So2cLi(cN)2 10 ~~ O/K =14/1 - O 10 0 LiC(CN)3 o-8- ~ ~ l l l - 107-2,6 2,8 3 3,2 3,4 3,6 3,8 2,5 3 3,5 1000/T(K) 1000/T(K) Figure 3.36: Comparaison entre la conductivitéFigure 3.37: C~i"f~ on entre la conductivité de du sel de lithium et de pQ's-e~ rn du tricyano-LiTFSI a O/Li = 8/1 et LiC(CN)3 et i"~V,ane pour une composition O/M = 14/1.CF3SO2CLiC(CN)2 pour c~"~ositi~n à O/Li= 12/1.
Il est ég~lpm~nt possible de se référer à l'acidité mesurée en phase g~7~use pour la corréler avec la conductivité obtenue pour les différents anions, aussi avons nous regroupé dans le tableau 3.13 les enthalpies de dissociation, expériment~le pour le TFSI, et estimées pour le tricyanométh~ne et le trifluorométh~nesulfonyl malononitrile [Koppel], ainsi que les optimums de conductivités respectifs à
chacun d'entre-eux sur la figure 3.37.
Tableau 3.13 Acidité en phase gazeuse du TFSI et de dérivés du malononitrile, d'après [Koppel].
Acide HC(CN)3 (CF3so2)2NH CF3SO2CH(CN)2 ~Gd,SS (kcaVmole) 293 291,8 282 A la vue de ses résultats, la faible enthalpie de dissociation en phase gazeuse de ces acides indiquent qu'ils sont probablement entièrement dissociés dans l'électrolyte fondu, cependant, ce paramètre n'est pas snffi~nt pour prévoir la conductivité des sels de lithium. En effet, même si le tricyanométh~ne présente une enthalpie de dissociation en phase ga7euse équivalente à celle du TFSI, sa conductivité est inférieure d'un facteur deux à trois. Cette écart peut se justifier par la structure plate et symétrique du tricyanom~th~ne qui rigi(lifie probablement l'électrolyte. D'autre part, le trifluorométh~neslllfonyl malononitrile, malgré une enthalpie de dissociation inférieure 10 kcaVmole à celle du TFSI, présente une conductivité équivalente ou inférieure à celui-ci.
D'après ces r~slllt~tc, il semble que le TFSI, parmi tous les anions envisagés jusqu'à maintenant, permet d'obtenir les électrolytes présentant le plus large domaine amorphe, et la meilleure conductivité pour une composition à O/Li = 8/1. Ce résultat est lié à la conjonction d'une acidité
suffl~mme~t élevée pour obtenir des sels de lithium entièrement dissociés dans le POE, et à la slruclule flexible de l'anion qui permet de plastifier l'électrolyte.

.~ _ 1 o'3e , . ~ ~
b1 o -- ~0/Li=12/1 ¦ -0~5~

0 6 - o UN(CN)2 \~ ~
~ \
0 7 ~ o UC(CN)3 \~ -. 1 0 2,5 3 3,5 1 OOO/T(K) Figure 3.38: Influence du centre anionique entreFigure 3.39: Influence du centre al ,. - r.-, e entre ,~s,~ti"~ement N-X2 et CX3 pourX = CN,lespe~ ement N X2 et C-)~3 pour X=CF3SO2, pour une co."f~ositi~n a O/Li = 12/1.pour O/Li = 8/1 (LiTFSI) et O/Li = 10/1 (LitriTFSM) La figure 3.38 permet de comparer la conductivité du sel de li~hium, pour une composition à
O/Li = 12/1, de la bis(cyanoimide) et du tricyanométhane. Cela revient finalement à évaluer l'influence du centre anionique sur la dissociation du sel, pour un s~lbstitll~nt donné, en l'occurrence une fonction nitrile. Il apparaît que contrairement aux anions substitués par CF3SO2, c'est à dire respectivement l'anion du TFSI et l'anion du triTFSM, dont la conductivité pour leur optimum respectif de composition est donnée sur la figure 3.39, l'on observe une nette augmentation de la conductivité en passant de l'imide au méthane trisubstitués. Cette différence s'explique par l'encombrement stérique plus important du groupement trifluorométh~nes~-lfonyle, relativement au groupe~l,ent cyano. En effet, dans le cas du triTFSM, il est difficile de placer les trois groupements CF3SO2 symétriquement dans le même plan, géométrie favorable à la stabilisation de l'anion. La distorsion relativement à la planéité entrâîne une moindre acidité que celle à laquelle l'on pourrait s'attendre en additionnant simplement l'effet cumulé de trois substitutions, on parle en général d'un effet de saturadon pour qualifier ce phénomène [Koppel]. Par contre, le faible volume du groupement cyano permet de placer les trois substitll~nts dans le même plan, et ce de façon symétrique. Il en résulte une acidité plus importante du tricyanométhane relativement à la bis(cyanoimide) qui justifie les résultats observés en conductivité.

Pour en finir avec les anions dérivants du malononitrile, le mélange du sel de lithium du poly(méthacrylate d'acétyl malononitrile), que nous symboliserons pour simplifier a~3 par PMAMLi, avec une matrice de poly(oxyde d'éthylène), est un exemple de ~n l'application de la chimie du malononitrile au domaine particulier des électrolytes à c=o anions greffés. Même si cet anion n'est pas greffé directement sur la chaîne de POE, ,~
cet électrolyte peut être considéré comme un électrolyte à col-~uction unipolaire, du ANION
fait du faible coefficient de diffusion du polyanion, relativement à celui du cation du PMAM
lithium au sein de la m~tnce solvatante. La figure 3.40 donne la conductivité du sel de lithium du poly(m~th~crylate d'acétyl malononitrile). Comme nous pouvons le constater, le sel de lithium greffé de l'acétyl malononitrile présente une conductivité de 10-5 Q~l.cm~l à 60~C; ce qui est somme toute une valeur tout à fait honorable pour un anion greffé, au regard de la facilité de synthèse de ce polyélectrolyte. De plus, l'anion étant immobilisé, l'on peut s'attendre à une moindre réactivité des fonctions nitriles vis à vis de l'électrode de lithillm, et même envisager l'utilisation d'un tel polyélectrolyte uniquement dans la cathode des batteries pour limiter l'effet néfaste des gr~dients de concentrations ~pp~r~iss~nt cssentiellement dans cctte zone.

10-4 ~ ~ ~
PMAMLi ¦ -E 10 5 ~ ~ .

O ~_\
~10 6 ~

~ o O/Li=8/1 ~ -~10 7 - O O/Li=12/1 \~ ~
~ O/Li=16/1 ~

1 o-8 2,6 2,8 3 3,2 3,4 3,6 1 000/T(K) Figure 3.40: Courbe de conductivité du sel de tithium de l'acétyl malononitnle greffé.
Enfin, la figure 3.41 permet de comparer la conductivité du sel de lithillm, pour une composition à
O/Li = lV1, de l'acétyl malononitrile, relativement à son homologue greffé. Pour clarifier les choses, les valeurs de conductivités pour l'anion greffé sont multipliées par un facteur cinq, ce qui correspond grosso modo à l'écart de conductivité entre l'anion libre et l'anion 10'3 ' ' ' ' I
greffé lorsque l'électrolyte est entièrement ---1 0-4 -~ ~ O/Li=12/1 ¦ -fondu. Par contre, en dessous du point de _y ~ x 5 fusion des électrolytes qui se situe E 10 \\
approximativement à 50~C, la conductivité ~ 1 o-6 4 de l'électrolyte à anion greffé décroît plus lentement que celle à anion libre, ce c~ 10 oPMAMLi phénomène étant probablement à relier à 8 1 o-8 ~ o MeCOCLi(CN)2 \~ -une cinétique de recrist~ ation plus 10 9 lente. Ainsi, à la température ambiante, 2,5 3 3,5 l'électrolyte à anion greffé est environ un 1 000/T(K) Figure 3.41: Comparaison de la conducbvite du sel de ordre de grandeur plus conducteur quelithium de l'acétyl malononitrile et du PMMA.
l'électrolyte à anion libre.

_ II-3-2-3 Conclusion sur les anions ouverts:

Une analyse des données de la littérature concernant la basicité des anions de la famille des méth~nes disubstitués et des imides, permet de corréler les propriétés du sel de lithium de la bis(trifluorom~-h~neslllfonimide) dans les électrolytes polymères, à des critères thermodynamiques rel~tivement simples issues de la physico-chimie des solutions ~protiques.

Ces critères confirment p~. r~;~...ent les hypothèses ayant conduits au développement de ce sel, une dizaine d'années auparavant, et en particulier, l'importance d'utiliser des anions dérivants de bases molles déloc~licées qui sont les mieux solvatées dans les solvants aprotiques dipolaires, parmis lesquels le poly(oxyde d'éthylène) qui nous intéresse plus particulièrement.

Il est ainsi envisageable de trouver des substituts à l'anion de la bis(trifluorométhanesulfonimide) reposants sur une chimie relativement facile à mettre en oeuvre, et dérivants de précurseurs de la grande chimie organique que sont la trifluorométhanesulfonamide, la cyanamide, et le malononitrile. Pour chacun de ces précul~iuls, il est envisageable d'obtenir des anions dont les sels de lithium présente une conductivité proche de celle obtenue pour l'anion de la bis(trifluoromé-h~nesulfonimide), dont le sel de lithium est ~ctuellemer-t utilisé dans le cadre de différents programmes de recherche à caractère industriel, visant à développer des batteries aux lithium à électrolytes polymères.

D'un point de vue plus fondamentale, l'étude de l'influence du pouvoir électroattracteur du substituant sur la conductivité des sels de lithium dérivants du malononitrile, montre sans ambiguité
que celle-ci, pour une famille d'anions données, est directement liée à la dissociation du sel, autrement dit à sa basicité, et ce telle que pouvait le laisser supposer les conn~ics:lnces issues de la .
chlmle orgamque.

Pour finir, il faut malheureusement déplorer, à l'heure actuelle, le manque de données thermodynamiques disponibles dans la littérature, concernant les propriétés acido-basique en milieu aprotique de ces anions . Ces donn~es permettront probablement, lorsque leur conn~iss~nce aura été
étendu, d'affiner les concepts ré~iss~nts les m~c~nicmes de conduction des sels en milieu polymère.

II-3-3 Les anions cydiques:

II-3-3-1 Présentation générale:

Les anions dérivants de composés hétérocycliques, et plus généralement cycliques, n'ont pratiquement pas été é~udié en vue de développer de nouveaux anions pour l~s ~l~ctrolytes polj;n~r~. Ur.e sculc e~iuipc s'.,s. in;c.cs~c ~ la conductivité de l'imida;zole e~ de ccr.ai..s de sc~, dérivés dans le POE IWnght1,2]. La chimie des composés hétérocycliques étant particulièrement variée, il nous a semblé intéressant d'évaluer l'intérêt potentiel de ces anions dans les électrolytes polymères en étU(li~nt la col~dllctivité de différents composés de cette famille dans le POE.

Parmi toutes ces espèces, les anions dérivants de composés cycliques à cinq ou six atomes conten~nt 4n+2 électrons 7~ sont supposés être stabilisés par résonance [Bo~wel~7]. Cette énergie de stabilisation aromatique (ESA) de l'anion, de l'ordre de 10 à 20 kcaVmole, se caractérise entre autre par une diminlltion de sa b~cicité, relativement à son équivalent non-cyclique. Nous avons illustré
sur la figure 3.42 ce concept dans le cas particulier du cyclope.nt~di~ne:

Cy~ n R~
CHz=C~CHz--C~CHz ~ ~ ESA = 2,3 RT ~pKa - 23 kcal/mole pKa~35 pKa=1 8 Figure 3.42: Exemple de ~ éneryeti4ue par cyclisation d'une molécule.
Comme nous pouvons le co~ct~ter, l'énergie de résonance du cyclopçnt~ ne permet de diminuer sa basicité -17 unités pKa dans le DMSO relativement au pentadiène-1,4. R
Cepel-d~nt cette anion est encore trop basique pour envisager d'obtenir des ~Rz sels de lithium dissociés en milieu POE. Afin de le rendre moins basique, il F~ ~R3 est n~cess~ire de substituer tout ou parti des atomes d'hydrogène par des ~r groupement.s permettant dl~ccentuer la déloc~li.c~tion de la charge anionique cYcLOpERN4TADIENE
(Ri=CN, CF3, CO2Me, F"..), comme l'illustre les valeurs de pKa de tels SUBSTITUEanions donnés dans le tableau 3.14.

Ces valeurs d'acidité appellent quelques commentaires. En premier lieu, il est surprenant de constater que le pKa du pent~fluorocyclopent~di~ne ne diminue que ~2 unités reladvement au cyclopent, ~iène; ceci ne fait qu'illustrer le caractère ambivalent des atomes de auors (et des halogènes en général) qui sont attracteurs d'électrons ~ar effet inductif~ via les liaisons ~, mais qui peuvent-être potentiell~ment donneurs d'électrons par résonance, via les liaisons ~, comme le confirme les valeurs de ~1 et C~R donn~Rs dans le tableau 3.15. Ces deux paramètres mesurent en effet la part relative de l'effet inducdf (~1) et de la résonance (~R) pour un substibl~nt donné. De plus, ~SR est en général proche de la valeur de ~m, et la somme de ~1 et de ~R correspond en fait à la valeur de ~p IMa~hl, et ce en accord avec les résultats reladfs à l'équation de ~mmett (Cf II-3-2-l).

Tableau 3.14 pKa des acides con ~-gués d'anions dérivants du cy~ p~"~adiène.
R pKaH2~ Milieu Rér~. ~.. ce R1~ = H 1~,5 / [Paprott]
R1 s = F . ~ 14 Solvant deutéré [Paprott]
R4 = CN 9,78 H20 [Webster3]
R3 = R5 = CN 2,52 H20 [Webster3]
R1 = R2 = CN 1,11 H2O [YVebster3]
R1 = ~2 = Fl4 = CN R3 = CH3 -5,7 CH3CN [Webster3]
R1 = R2 = R4 = CN -6,1 CH3CN [Webster3]
R3 = R4 = R5 = CN - -7,5 CH3CN [Webster3]
R1 = R2 = R3 = Rs = CN -9 CH3CN [Webster3]
R~ = CN ~ -11 CH3CN [Webster3]
R1.s = CF3 < -2 H2O/H2SO4 [Laganis]
R1.5 = CO2Me ~ -7 H20 [Cookson1]

Tableau 3.15 Effets attracteurs inductifs et par lésonancê de ql~el~ues groupements, d'après [March].
C;~'JI~ R ~I ~R ~p (C5'l + C~R) F 0,5 -0,31 0,19 Cl 0,46 -0,18 0,28 Br 0,44 -0,16 0,28 CF3 0,42 0,08 0,5 CN 0,56 0,08 0,64 CO2Et 0,2 0,16 0,36 La structure du pentafluorocyclopentadiène est en ce sens défavorable du fait du recouvrement possible entre les orbitales 7~ des atomes de fluor, par contre leurs substitutions par des groupements CF3 essPnti~llPment attracteurs par effet inductif permet d'obtenir une molécule de cyclopçnt~dièn~
qui est l'acide carboné sans substituant conjugué le plus fort connu à ce jour [Laganis]. Des acides encore plus forts sont obtenus en substituant les protons par des groupement.~ carbométhoxy ou cyano qui permettent de délocaliser la charge par effet inductif et par résonance, le pentacyanoplopène étant l'acide carboné le plus fort connu à ce jour. La valeur du pKa estimée pour le pentacarbométhoxycyclopentadiène peut sembler faible au regard de l'effet attracteur du groupem.o.nt CO2Me relativement à celui du groupement CF3 ou CN, cependant, la déloc~li.s~tion de la charge par les oxygènes des fonctions carbonyles agit probablement en faveur d'une solvatation effioa~e de l'anion en milieu aqueux. Par contre, le pKa du pentacyanocyclopen relativement à l'eau, est d~nnin~ en con ige~nt la valeur obtenue dans l'acétonitrile ~ 9 unités pKa~
soit l'écart mesuré pour l'acidité du dicyanocyclopentadiène entre l'eau et l'acétonitrile; le pentacyanocyclopent~di~.ne étant une base molle très déloc~ ée~ il est dès lors probable que la valeur du pKa relativement à l'eau est sous~stimée 2 1 9~1 27 -Le tétracyanocyclopentadiènide est une molécule potentiellement plus intéressante que le pentacyanocyclopent~ ènide, de part la faible basicité de l'anion qui permet d'envisager d'obtenir des sels de lithium très dissociés en milieu POE, et par la possibilité de réaliser des substitutions électrophiles sur la molécule. Il est ainsi possible d'obtenir à partir de cette molécule, les dérivés nitro, amino, chloro, acétyle, trifluorométhanesulfenyl tétracyanocyclopentadiène, et surtout de synth~tiser à partir du dériv.; a~etylé, le vinyltétracyano~yclopentadienid~ ~Webster4]. On obtient aisément un polyélectrolyte soiubie dans l'acétonitrile en ch~lff~n~ le dérivé vinylé à ~ 140~C sous argon. n est alors envisageable de mélanger le sel de lithium de ce polyélectrolyte avec du POE, qui devrait ainsi se comporter comme un anion fixe très dissocié, mais surtout de greffer cette molécule sur un POE modifié contenant des fonctions allyles polym~-ri.c~bles. Ainsi, même si il existe un doute sur la stabilité des fonctions cyanées vis à vis d'une électrode de lithium, l'immobilic~tion de l'anion doit garantir l'inertie chimique du sel greffé, tout en combinant les avantages inhérents à
l'utilic~tion d'électrolytes polymères à conduction purement cationique sur les performances des b~tteries. Par contre, la stabilité en oxydation de l'anion doit être potentiellement largement su~-ieur à 4 volts, la charge anionique étant très délocalisée et donc peu oxydable.

Les données de la littérature sur les anions de la famille du cyclopentadiène confirment à priori notre intérêt pour les anions dérivants de molécules cycliques à caractères aromatiques. Aussi, allons-nous m~inten~nt présenter les informations disponibles sur la famille des azoles à caractères aromatiques, c'est à dire essentiellement aux cycles à cinq ne contenant que des atomes de carbone et d'azote. Les él~ments génériques de cette famille s'obtiennent en substituant progressivement les atomes de carbone du cyclopen~dièn~- par des atomes d'azote, soit succescivement: le pyrrole tlN), l'imidazole, (2N), le pyrazole (2N), le triazole (3N), et le tétrazole (4N), dont les structures sont illustrées sur la figure 3.43.
R~ A A N--N ~ ~ ~
~N~ ~NH ~N~NH 6~N~ N'N~N N~N,N
H H H H
PYRROLE IMIDAZOLE PYRAZOLE 1,3,~TRIA~OLE 1,2,3-TRIAZOLE TETRAZOLE
Figure 3.43: Famille des azoles composés de cycles à cinq atomes.
Pour tous ces azoles, il est possible d'écrire des formes mésomères permettant de délocaliser la charge anionique sur tous les atomes d'azote, comme l'illustre la figure 3.44 pour le 1, 3, 4-triazole.

N--N N--N ~N--N

Figure 3.44: Forrne de r~sonance du 1,3,4-tri~oiQ
Comme le montre les valeurs de pKa données sur le tableau 3.16, la ~cicité des azoles ~iminl~e ~4 unités à chaque fois que l'on substitue un carbone dans le pyrazole par un atome d'azote, cette di...in~l~;on r~,sult~nt en partie du caractère plus électronégatif de l'azote relativement au carbone. La 2~94127 moindre basicité du 1, 2, 3-triazole, vis à vis du 1, 2, 4-triazole, découle de l'élimin~tion dans le cycle de l'azote pyrrolique plus basique. De plus, l'acidité mesurée dans le DMSO (limin-le ~4 unités (l~pKa) relativement à celle obtenue dans l'eau, tr~dui~nt une moindre énergie de solvatation des azoles dans le DMSO de 4 à 8 kcaVmole.
Notons que dans la famille des azoles, le pentazole est une molécule trop instable pour être isolée, mais on pcut cependant estimer son pKa~ O ~ z 0,g lCata~
Tableau 3.16 pKadans H20 et dans le DMSO des p.i~ .aux azoles à c~ld~;teres ~loll.,.~ es Hél~ cles Pyrrole Imidazole ~l ~E 1,2,4-Triazole 1,2,3-Triazole Télr__nl~
pKaH2O 17,51 14,4 14,21 10,04 9,26 4,9 pKaDMSO 23 18,61 19,84 14,75 13,93 8,23 ~PKa 5,49 4,21 5,63 4,71 4,67 3,33 Intéressons-nous m~inten~nt à l'effet de la substitution sur l'acidité des azoles, nous commencerons en cela par le tétrazole qui présente l'avantage de ne pouvoir porter qu'un seul substituant (R) sur le cycle. Nous avons représenté sur la figure 3.45, l'évolution du pKa relativement à l'eau [Ca~al~l en fonction du ~p du substitu~n~ lM~]. En accord avec ce que nous avons exposé précé~lemm~nt sur les anions de la famille du TPSM, il serait peut-être plus judicieux d'utiliser les valeurs de ~p~, cependant l'utilic~tion du ~p perrnet déjà d'obtenir une bonne corrélation suivant l'équation:
pKa=4147-5,3~p On peut déduire de cette équation une valeur Me- ' ' de 5,3 pour le coefficient p de l'équation de H\~ Ph Hammett qui est à comparer avec la valeur \~l de 2,2 pour les phénols substi~ués dans les 2 ~ Br \~CF3 mêmes conditions [Bordwell31. Le tétrazole est N o _ donc plus influencé que les phénols par le Y NO2 ~ \
substituant, ceci étant probablement à - 2 -corréler avec une meilleure déloc~li.cation de 4 _ \ Nz+_ la charge. De plus, la valeur du coefficient p \~
dépend de la nature du solvant et passe ainsi 60, 5 0 0, 5 1 1, 5 2 de 2,2 à 5,3 d'un solvant aqueux au DMSO ~P
Figure 3.45: Influence du s~hst~ f surl'acidité
pour les phénols. Si l'on ~étend ce résultat au du t~ relativement a l'eau.tétrazole, il est probable que l'on puisse obtenir des acides relativement forts dans le DMSO, en s~lbssitu~nt le tétrazole par des groupements très au.~u~s d'électrons tels: CF3, CN, CF3CO, ou CF3SO2.
n est aussi possible de colupafcr l'acidité des azoles entièrement s~lbstihlés par un gloup~luent R
donné, c'est à dire de comparer l'effet d'une monosubstitl~tion sur le tétrazole relativement à une double substitlltion sur le triazole, et ainsi de suite. A cet effet, nous avons regroupé dans le tableau 3.17 les pKaH2O disponibles pour le tétrazole, le tri~7.ole, et l'imid~7ole. Nous avons également indiqué, en italique, la différence d'acidité (~pKa) ramené à un groupement attracteur, et ce relativement au pKa de l'azole non-substit~-~. Il faut noter que contrairement au pKa d~tPrmin~ pour les dérivés du malononitrile dans le m~l~nge eau/dioxane 1/9 vol. (65,5% molaire en dioxane), le PKa du bis(trifluorométhane)triazole déterminé dans un mélange équivolumique eau/dioxane est ~s.simil:-klc a sa valcur d~s l'eau, le dioxane ne représentan[ alors que 17,4% de la fraction molaire.
Ce r~sultaL est comïrmé par le tait que le pH d'une solution d'acide perchlorique dans un mélange eau/dioxane 1/1 vol. ne varie au m~ximllm que de 0,2 unités pH, et ce à dilution infinie [Shukla].
Tableau 3.17 pKa~~ de d~érents azoles Sl~hStitlléS~ d'après [Catàlan].
Br CF3 NC NO2 CF3S02 ~N~ ~N~ ~N~ ~N~ ~N~
N~ N,N N,N H~N N'H~N
PKa 2,13 1,7 0,7a -0,83 -1l15a Ka 2, 77 3,2 4,2 5, 73 6, 05 N--N N--N NC CN N--N
Br~Br F3C~CF3 ~6 o2N~N9 N~2 PKa 5,17 3b 1,47 -0,63 Ka 2,44 3,52 3,9 5,34 NC~ ~CN

~9 d _5 ~ ~3 ~-4 PKa 2,1c ~PKa 4, 1 a: estimé d'après la relation: pKa = 4,36 - 5,23 ap.
b: déterminé dans le ",élange 50/50 %vol eau/dioxanne, d'après [Brown].
c: d'après [Apen].
d: M. Armand, Communication personnelle Comme nous pouvons le cot .ct~ter, d'après les valeurs disponibles, la diminution de pKa induite par un g~ou~...~-nt donné est sensiblement équivalente quelque soit l'azole considéré. Ce résultat nous a permis d'estimer la valeur du pKa~ ~ssPntie1lPmPnt pour les dérivés de l'imidazole, en ad-litionn~nt l'effet observé pour un groupement donné dans le tétrazole. A partir de l'ensemble de ces données, nous donnons sur les figures 3.46 et 3.47 l'évolution du pKa en fonction du ~p du substitu~n desquelles nous pouvons déduire les équations de ~mm.~tt pour l'imi~7.ole et le triazole:
Imidazole: PKa = 14,1 - 18,2 ~p Triazole: pKa = 9.3 - 11,4 ~sp 21 94i Z7 L'estim~tion des valeurs de pKa suppose qu'il est possible de placer deux substituants sur le tn~7:olP, et surtout trois sur l'imid~ol~o sans induire une contrainte stérique entre les substitl~nts, qui çntra~me~it une ~ n~l;on de la stabilité de l'anion, et ce en particulier pour CF3SO2.

12 e' ' ' ' ' ' 15 H
10 -~H
8 -- \ -- lo --Br~ ~ Br ~~
Q 4 C~ ~ Y 5 - \~CF3 2 - \~CN O \~CN
~ ~ N0z\~ \ ~n N0z~ \
-4 ' ' ' ' ' 5 1 1 1 1 1 ~
-0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 -0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 ~p ~P
Figure 3.46: Influence du suhstitllAnt sur Figure 3.47: Influence du 5l~hstit~Ant sur l'acidité de triazole rehtivement a l'eau. I'acidité de l'i".. '--~ 'e relativement a l'eau.
La figure 3.48 perrnet de comparer l'évolution de l'acidité en fonction du paramètre ~p de l'équation de H~mmett respectivement pour l'imidazole, le triazole, et le tétrazole snbstit~lé Comme le montre cette figure, la pente p de l'équation de Hammett augmentant progressivement de 5,3 à 18,1 en passant du tétrazole à l'imidazole, l'ordre d'acidité pour ces azoles dépend du pouvoir attracteur du substinl~nt Ainsi pour les substituants présentant un ~p<0,75 tels les halogènes, CF3, ou CN, l'ordre d'acidité est tel que pKa(imidazole) < pKa(triazole) < pKa(tétrazole), cet ordre étant invers~
pour les substituants très attracteurs présent~nt un ~p>0,75 tels NO2, ou CF3SO2. D'après ces résl.lt~ts, on peut supposer que l'acidité de ces azoles substitllés par CH3SO2 (~p = 0,73) devrait être pratiquement identique et telle que pKaZl.

Imidazole Triazole \ \ Tétrazole Y ~
o- ~

- 5 - \ ~

-0,5 0 0,5 ~ 1 1,5 2 Figure 3.48: Influence du s~hsti~A~It sur l'acidité de l'i" '- ~ -.'e, du triazole, du t zl, Afin de compléter ces résult~ts, les figures 3.49 et 3.50 présentent l'influence d'une double substitution sur l'acidité et la basicité du pyrazole respectivement en phase gazeuse et dans l'eau lEI9u~ . Comme nous pouvons le constater, le p~r~m~tre p de l'équation de ~mmett pour l'acidité du pyrazole est 5 2,7 fois plus important en phase g~7ellse que dans l'eau, ce résultat est à
comparer au facteur 5,6 déterminé précédemment pour le phénol substitué entre les valeurs en ph~se g~zcuse et d~ns l'e~u.
400 , , , , , , ,20 , I
350 _ 3 H ¦Pyrazole ¦ 15 - ~ ¦Pyrazole ¦
~53~~ - PA--31,7 ~ 10 - p =11,6~3 ~, 250 -CH H p=25,2 cY~ 5 ~ ~ =18,9 200 - ~ B
<I ¦ + ~G basique I CF ¦ + pKa basique \_ 1 50 - I ~G aade ¦ -5 - I pKa acide \~3 100 ' ' ' ' ' ' ' -10 -0.2-0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6-0.2-0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 ~p ~P
Figure 3.49: Influence du 51'hS~itll~rlt sur Figure 3.50: Influence du s~hstitu~t7t sur l'acidité de triazole relativement à l'eau.I'acidité de l'i" ;L'--~'8 relativement à l'eau.
Il est intéressant de constater que le paramètre p de l'équation de Hammett décrivant l'acidité du pyrazole dans l'eau (p = 11,6) est sensiblement équivalent au paramètre déterminé pour le triazole dans les mêmes conditions (p=11,4); on 5 peut dès lors supposer que l'effet de la ,~, Pyrazole/H 0 J' solvatation sur ces deux acides est identique 2 -- O PhénoUDMSO
en milieu aqueux. De plus, les informations disponibles sur le pyrazole, portant différents -- ~
substit~.~nts, permettent de montrer, comme ~ H/~G)d,T,so=0,96 l'illustre la figure 3.51, que l'entropie I - 5 ~ ~ ' -représente une faible part de son énergie '1 , ' d'ionisation (~15%), et ce contrairement au ~ (~H/~G) =0,86 phénol dans l'eau. Ces données sont -10 (~
-15 -10 -5 o 5 10 référencées aux valeurs de l'énergie AGo (kcal/mole) d'ionisation et d'enthalpie acide,Figure3.51: Par~del'e"lhr/~ edansl'énergie ~ . d'lonisation du pyrazole dans l'eau, comparativement respectlvement pour le pyrazole et le phénola la part pour le phénol dans le DMSO.
non substitués Ce résultat n'est pas surprenant, le pyrazole étant une base molle, la charge de l'anion n'implique pas une structuration importante des molécules d'eau; de la même façon que la part de l'entropie du phénol dans le DMSO est négligeable du fait de la moindre structuration de ce solvant en comparaison à l'eau.

Pour en ~e....i--er avec le pyrazole, les valeurs regroupées dans le tableau 3.18 permettent d'évaluer l'inflllçnce de la sllbstitlltion des grou~e~ ts CH3 par des groupements CF3 sur son acidité en ph_se ~7ellce et dans l'eau. Il app~îl que l'effet de la substitution est pratiquement additif en phase g~7ellce~ l'acidité (liminl1~nt ~ lS kcaVmole par CF3; même si l'effet est moins additif dans l'eau, l'acidité diminue ~ 3,5 unités pKa par CF3 à +/- une unité.
Tableau 3.18 Influence des substituants sur le ~G~j (en kcaUmole) et le pKa du pyrazole, d'après [Elguero].
Substituant R ~G ~G PKa ~PKa Rl=Rt=CH3 348,1 0 15 0 Rl = CH3 R2 = CF3 333,6 -14,5 12,3 -2,7 Rl = R2 = CF3 317,4 -16,2 7,5 -4,8 L'app~;nte additivité de l'effet d'un groupement attracteur sur l'acidité en phase gazeuse permet d'estimer l'acidité en phase g~7Puce du 3,5-bis(CF3SO2)-pyrazole [El9Uer~l, ce groupement présçnt~nt génér~lemert un effet deux fois plus important que CF3 sur l'acidité. On aboutit donc à une estim~tion du ~GaC ~ 295 kcaVmole, soit une valeur comprise entre l'acidité en phase ga~use du TFSM (aG=301,5 kcaVmole) et du TFSI (~G=291,8 kcaVmole), le pyrazole en étant unintermédiaire, la charge étant portée par un carbanion placé dans une structure résonnante. Nous avons égalem~nt souhaité estimer l'acidité en phase gazeuse du 3,5-bis(CF3)-triazole, conn liss~nt sa moindre basicité en phase gazeuse relativement à l'ammoniaque (~Gbas=l9s~6kcavmolet~ippin9]) de -50,2 kcaVmole[EI9Uer~], on aboutit à un /~GbaS=l4s~4 kcaVmole, soit 41,5 kcaVmole de moins que le ~GbaS du bis(CF3)-pyrazole. Si l'on suppose que cette différence se maintient sur les ~GaC, on peut estimer le ~GaC du 3,5-bis(CF3)-triazole à 283,3 kcaVmole, soit un gain en terme d'acidité ~ l0 unités pKaH2O, d'où un pKaH20(bis(CF3)-triazole) ~ -2. Cette valeur différant de S unités pKa de celle déterrninée expériment ll~ment~ il est probable que le comportement basique du bis(CF3)-triazole diffère de celui du bis(CF3)-pyrazole en phase g~7Pllce- Il est donc préférable de partir de l'écart d'acidité observé dans l'eau ~ 4,5 unités pKa~ d'où
l'on peut déduire une moindre acidité en phase gazeuse ~17 kcal/mole, soit ~Gac(bis(CF3)-triazole) ~ 300 kcal/mole.

Les exemples d'anions peu basiques dérivants d'hétérocycles ne se limitent pas aux cycles à cinq atomes, comme l'illustre l'exemple du dérivé cyano (C7N7H) [Wiley] et trifluorométhane (C7FgN4H) [~ nl du tétr~7~pçnt~lène, dont nous donnons les pKa respectifs sur la figure 3.52.

C7N7H N~CN pK~H~~= 3 C7FsN4H N~ pK --2,75 Figure 3.52: pKa du dérivé cyané et peffluon""éV,~lé du tétrazapentalène.

219~127 , Il faut noter qu'il n'est pas possible de délocaliser la charge sur tous les azotes du t~tr~7~pent~lan~
substitué par un g~upe~lent R quelconque, ni sur le sub~,!;lu~nt R placé sur le cycle triazolo pour les groul)e...entc capables de disperser la charge par réson~nce, telles des nitriles, comme l'illustre ~ /
la figure 3.53. Cependant, les dérivés trisubstitués ~N~
du t~r~zap~n~alene sont plus acides quc lcurs ~N~3 ~3Nb~2~R
homologues lli7U'0~7iiiUt~i U~;liV~ 7 U~; l'illliU~lG(~ \ /R
ceci tr~dnis~nt une extension de la déloc~lic:ltion Figur~ 3.53: Forme de résonance i""~ass '~.
de la charge anionique en passant du noyau imid~7Ole au noyau tétrazapent~lane De plus, le chlore ré~gics~nt sur C7N7- pour donner un chloro-C7N7 qui redonne C7N7H au contact de l'eau, l'on peut en déduire un potentiel d'oxydation de l'anion ~ 4,5 Volts vs Li+/Li~.

Nous avons également porté notre intérêt sur les anions cycliques de la famille de l'acide barbiturique. En effet, il est possible d'obtenir des acides forts en substituant le proton labile présent sur le carbone de l'acide barbiturique par un ~
g~upelllent R attracteur, par exemple le dérivé nitré (R = NO2) présente un Me~N~N'Me pKadmr,o = 0,8 [Bordwell6]. De plus, il est possible de jouer sur la longueur des ~O
chaînes alkyles pour induire potel ti~llPment des propriétés tensio-actives ou R
pl~ctifi~ntes à ces anions vis à vis des chaînes de POE, ce concept ayant Acide ri................................................................................... ,~tl"~lGarbiturique déjà été mis en évidence pour les anions de la famille des tétraalkyls suhs~itu~
boranes lcherkaoui]
L'intérêt pour les anions cycliques ne se limitent pas à la possibilité d'obtenir des sels dissociés en milieu aprotique dipolaire, mais également à la chimie permettant d'~ccéder à ces matériaux, celle-ci offrant des voies de synthèse diverses et variées, comme nous le montrerons par la suite. Il est possible d'appréh~n-ler ce problème de deux façons, soit en traitant les principales possibilités de synthèse par famille d'anions (cyclopentadiène, imidazole, triazole, tétrazole,...), ou en s'intéressant aux anions dérivants de différents pr~c~ll~ul~ de la grande chimie organique. Ces deux approches présent:lnt un intérêt à nos yeux, nous commloncerons par décrire les anions par f~mille, puis de façon synoptique les possibilités de synthèses offertes à partir d'un précurseur donné. Nous ne nous sommes pas limités pour ce faire aux anions entièrement substitués~ qui ne component donc plus de protons labiles sur le cycle, par des glvl~pe~ ntc attracteurs potenti~ ment stables au point de vue électrochimique, mais aussi aux cycles sur lesquels il est possible d'envisager des modifi~tion.c chimique simples p~rm~tt~nt d'obtenir de tels anions déloc~licés.

2194t~7 . ..
II-3-3-2 Présentation générale de la synthèse des héterocycles:

Famille du cyclopentadiène: Les dérivés mono, di, et tricyanés du cyclopent~ ,ne sont synth~ticés par action du chlorure de cyanogène sur le cyclopent~diè-ne en présence d'hydrure de sodium capable d'arracher les protons labiles du cycle aromatique. La réactivité du cycle aux su~stitutions électro~hiles dim.inu2nt ~vec Ic nombr de grou,,cmcn.t~ n~s qu'il c~nticnt, Ics derivej ieli-,l et pen;~cy,ul~;s du ~y~:lupe~ die~ 'o'O~ mellt p,lr l'd~L;ul~ d~; Chii' ~;ii ~;ulijullciiùll avec le chlorure d'aluminil-m [Websbr3l. Le tétracyanocyclope,nt~liè,rlP, s'obtient ég~l~,m~nt à partir du cyclopentane- 1, 2, 3, 4-tétracarboxylique par conversion des groupements carboxyliques en nitriles, puis déshydrogénation du cycle par PCls [Cookson2l~ comme l'illustre la figure 3.54:

?~ PaS ~ ~ POCI3> ~ PCIs ~ ~
HO2C-- co H NH3 H No~CONHz NC CN ~CN
Figure 3.54: Synthèse du tétracyanocyclopentadiène.
Comme nous l'avons déjà m~ntionn~, la possibilité de réaliser des substitutions électrophiles sur le carbanion du tétracyanocyclopent~ e permet d'en synth~ticer plusieurs dérivés [~J~L 11, dont nous avons regroupé l'essentiel sur la figure 3.55, le vinyl tétracyanocyclopent~ ne présent~nt à
nos yeux le plus d'intérêt pour la synthèse d'électrolytes à conduction purement cationique.
NC CN NC CN

N~CN~ N~CN

NC~ CN
Cl2 ~ ~6 NC~y--CN
NC~ CN Cl N~CN CF3scl~ ~N

N CN

NC~ CN NC~ CN NC~ CN
Ac20 ~ D~ NaBH4 ~ ~6 (1 ) SOCI2/Pyridine ~ ~
CF3CCkH N~CN N(~CN (2) Pyridinel~ N(~CN
C=O H--O--OH

Figure 3.55: S~hs'ihnion éle.,~r~,ph 'e surl'anion du pentacy,l~pe"~.':èr,e.

2i9~127 ._ L'amine-tétracyanocylopent~ ne peut ég~lçmellt s'obtenir à partir du tétracyanobutè.ne~liide, dérivant du tétracyanoéthylène, qui cyclise après protonation sous la forme de l'amino-pentacyanocyclopent~di~.ne, élimin~nt par la suite un de ses groupements cyano par hydrolyse dans HCl concelltlé suivit d'une décarboxylation [WebsteR]~ comme l'illustre la figure 3.56.

NC CN ~ NC~ CN
N ~ CN 6N ~ N ~ 12N N ~ CN
NC CN CN
NH7 N~
Figure3.56: Synthèse de l'am;no tétracyanocyclopentadiene.
On accède par diazotation de ce composé par l'acide nitreux aux dérivés usuels de la réaction de S~n~meyer[~revet WebSterl, et en particulier à une autre synthèse du tétracyanocyclopentadiène comme indiqué sur la figure 3.57.
NC~ CN
CuCN~ ~
NC~ CN NC~ CN N ~ CN
~ HN02 ~ ~ _ CN
N ~ CN NC~ ~ ~CN
I + NC~ CN

NH2 ~ N ~ CN

Figure3.57: Synthese du pentacyano et du iodo cyclopentadiene .
La synthèse du perfluorométhylcyclopent~diène est également décrite dans la littérature [La9anis], cependant celle-ci s'effectue avec un mauvais rendemen~ (~ 10%) par action du trifluorodiazoéthane sur le perfluorotétraméthylthiophène, désulfuration par la triphénylphosphine, et pyrolyse.

Pour en finir avec les anions de la &mille du cyclopentadiène, mentionnons la synthèse du penta-carbomethoxycyclope.n~ n~ ILe Gofq à partir du diméthylmalonate et du diester del'acétyl~.ne-lic~rboxylate comme l'illustre la figure 3.58.

002Me C02Me R ~ R MeCO2 CO2Me Cl Pyridine ~ MeC02~H20 ~

CD2Me 2 MeCO2H R ~ ~ R ~C0 M
Figure 3.58: Syn~hese du perlt2~ a~ xy ~yel~pentddWnQ

21941~7 -Famille des azoles:

Pyrrole: Parmi les composés du pyrrole, deux pr~se.nt~r-t un intérêt pour la synthèse d'anions, il s'agit respectivement du tétracyanopyrrole (pKaH20 = -2,7) synthétisé à partir du tétracyano-1,4-dithiin[] (figure 3.59), et du perfluorotétraméthylpyrrole obtenu à partir du ??? [Silvesterl d'après la réaction donnée sur la figure 3-60-NC~S ~CN NC~ CN F3C CF3 F3 C CF3 N3 ~ ~ CF3CF=C--C=CFCF3Nucléophile ~
NC~S~CN NCf~N~CN R2NH F3C--~N~--CF3 - H H
Figure 3.59: Synthése du tétracyanopyrrole. Figure 3.60: Synthese du perffuorométhyl pyrrole.
Imidazole: De nombreux anions délocalisés de la famille de l'imidazole sont NC CN
synth~ti.cés à partir du ~ minomaléonitrile (DAMN)IVJ~L l-RI, cette molécule ~
étant le tétramère de HCN obtenue par catalyse basique; on aboutit ainsi aux H2N DAMN NH2 différents dérivés 2-substitués du 4, 5-dicyanoimi~7.ole, comme l'illustre la figure 3.61.

RC(OEt)3 H2N~ R= Me PhOMe NC CN Et o DDt~ H2N~G~N=CH--R R--CH H2N~ NH2 Alkyls CH3CN NC CN C~3CN NC CN CF3 NC)[~ NCS/~ le/DMF NC~CN ~R' HCOOH H2N~ R- H
Diglyme NC CN
R O
Butanol H2N NHc=cHco2Et RC~CH2C02Et H2N NH2 ¦ Alkyls NC CN ~ P20s/EtOH NC CN R=¦Phényl Figure 3.61: Synthese des dérivés 2-s~h~ és du 4,5-dicy~noi" ' ~
Les premières mol~cules de cette famille ont ainsi ét~ obtenus par réaction du DAMN avec le tnéthylorthoformate (HC(OEt)3) ou différents ortho esters lU~ - 'i Par la suite, une voie de synthèse à partir d'aldéhyde [Be9~ndl a permis d'étendre les possibilités de synthèse, la base de Schiff résultant de l'addition de l'aldéhyde sur le DAMN étant cyclisés par oxydation par le dichlorodicyanobenzoquinone (DDQ). L'utili~tion de la N-chlorosllcçinimide, plus oxydant que la DDQ, couplé avec la nicotin~mitle permet d'obtenir ces composés en une seul étape l0ht~ka1l. Il est ég~lP.m~ t possible de condenser les B-keto esters (RCOCH2CO2R') par le mélange P205/éthanol, ~1 941~7 puis de cycliser l'~n~mine obtenu au reflux du butanol lOhtsuka21. La réaction du DAMN avec l'acide formique au reflux du diglyme (Teb~ 160~C) aboutit à une optimi~ion de la synthèse du dicyanoimitl~7.ole [Ohtsuka3]

On obtient un autre dérivé important du DAMN, le 2-amino-4, 5-dicyanoimid~7.ole, par réaction du DAMN avec ClCN. Par dia_otation de ce composé, il est possible par la réaction de Sar ~m ~, r d'obtenir entre autre, le iodo [Brevet Webs]], cyano lApen, Brevet Webs], et phényl O dicyanoimidazole, t~i que décrit sur la figure 3.62.

NC

NC H

NH2 ~2 ~ )~ ~N + CuCN

~ ~[ ~IR
Figure 3.62: Synthèse de dérivé 2-sll-ctitués du 4 5-dicyanoi" .i ~'e à partir du dérivé diazolque.
Comme l'illustre la figure 3~63, la réaction de l'orthophénylènediamine avec l'acide trifluoroacétique en milieu acide permet de syn~h~ticer le 2-trifluorométhylben7.imid~7.01e qui est oxydé par l'eau oxygéné en 2-trifluorométhyl-imid~7.ole-4, ~dicarboxylique lSmi~ BelCher]. Par action de SF4, les groupements carboxyliques sont convertis en trifluorométhyl pour aboutir au perfluorométhylimid~701e 0.

~NH2 ~ HO2C F,~H
Figure 3.63: Synthese du perHu~rJ",~ll"/l jlnj; le La bromination de l'imidazole (figure 3.64) ou du dicyanoimid~7ole (figure 3.65) permet de synthétiser respectivement le tribromoimidazole, et le 2-bromo-4, 5-dicyanoimidazole ~Apen], sur lesquels l'on peut espérer réaliser les substitutions nucléophiles propres aux molécules à caractères aromatiques.
H 13 H ~? ~ ~
Figure 3.64: Synthese du Iril~u~. . "idazole. Figure 3.65: Synthèse du bromodicyan~ le.

Pyrazole: Comme nous pouvons le voir sur la figure 3.66, l'on peut synthétiser le tricyanopyrazole par con~enc~ion d'un dérivé acétylé avec un composé diazoique, transformation des esters présent sur le cycle en ~mides~ suivie de leurs déshydratations par P2O5 [Weis].

NC~CCN NC~ CN
+ ~ ~
N2CHCOOEt H \~ NC2~CN

MeOOC COOMe ~ N~CN
MeOO~COOMe ~ ~ H
+
N2CHCN N~ CN
Figure 3.66: Synthese du tricyanopyrazole.
Triazole: L'addition de l'acide nitreux sur le DAMN, telle que décrit sur la ffgure 3.67, permet la synthèse du 4,5-dicyanotriazole[~ T~U~ R~ere~kl. Cette acide est le premier exemple connu d'anion organique très délocalisé à caractère aromatique, comme l'atteste la conductivité électrique de son sel de sodium dans l'eau IFialkof~ prouvant que ce composé est dissocié
à plus de 90% en solution diluée.
NC CN
H2~e¢ HNO2 ~ h~

Figure 3.67: Synthese du dky~n~tr La cyclisation de la bis(tri~luoroacétyl)hydrazinelBr~Wn1ChamberSAbdul~Ghanilpar P205 permet d'obtenir le 2,5-bis(trifluorométhyl)-ox~ 7ole [Charnbers~Brown1] dont le cycle est suffi.c~mment réactif aux nucléophiles pour être ouvert par l'ammoniaque anhydre. Par déshydratation du composé obtenu, on aboutit au 2, S-bis(trifluorométhyl)triazolel~wn2~Tippins~Abdul-Ghani] tel que décrit sur la figure 3.68. Cet acide est particulièrement stable thermiquement, en effet le produit scellé sous vide dans un tube à essai n'est pas altéré après plusieurs heures à 350~C. De plus l'acide n'est pas hydrolysé dans l'acide sulfurique concentré, ni oxydé par le perm~ng~n~e de potassium en mileu acide, ce qui perrnet de supposer que le potentiel d'oxydation de l'anion est supérieur à 1,3 V/ENH (soit = 4,3 Volts vs Li+/Li~).

N Nl lZ ~,, ~CF3--O N N C--CF3 2 5 ~ F30~ CF3 O O

N--N P20sH H NH3 anhydre F30~CF3 CF3--O N N O--CF
H NH O
Figure3.68: Synthèsedubis(triflu~,u",~tl,~l)h 3z~

On obtient un autre composé intéressant de la famille du triazole (figure 3.69) par action d'un azoture sur l'acétyl~ne~ic~rboxylate, ou son diester, suivit de l'hydrolyse des esters dans ce dernier cas [Ch ~
Me4C~CO2Me HOeC~CO2H
HO2C--OC--CO2H NaN3 N~ ~N Hydrolyse ~ N~ ~N

Figure 3.69 Synthese du dicarboxy triazole.
Enfin mentionnons la synthèse du 2-amino-5-trifluorométhyltriazole par distillation azéotropique d'un m~l~nge d'acide acétique et d'aminog~l~ni~inP dans le toluène ILoPYreVI, comme l'illustre la figure 3.70. Cette synthèse présente l'avantage d'être relativement simple, et d'aboutir à un produit potentiellPmP.nt peu coûteux. De plus, il est possible d'envisager d'en obtenir différents dérivés par diazotation, à l'image de l'aminoimid~701e, et en particulier le 2-cyano-5-trifluorométhyltriazole:

I k~ r~l ~c~ NH ~ h upe ~N9--Figure 3.70: Synthèse de l'aminotriflu~run,~ /l triazole.
Tétrazole: Le tétrazole et la plupart de ses dérivés sont synth~tic~s par l'action d'un azoture sur un groupement nitrile. Les nitriles substitués par un groupement attracteur présente un cas particulier, ces groupements rendant l'attaque de l'azoture plus aisée, et permettent de réaliser les réactions à
des températures modérées, l'on obtient ainsi les tétrazoles substitués par des groupements aryles [r~ l, trifluorom~th~ne [Norrisl, et cyano [Oliveri ~ , comme l'illustre la figure 3.71. Le cyanotétrazole s'obtient également par une réaction complexe à base de produits simples et peu coûteux lr ~ ~. schPm~ticée sur la figure 3.72.
R ~SO4 NC
P~N ~ ~ ~N R= Ph~ ls+ MnO2 + CuSO4 ~ N~ ~N
H HCOOH H
Figure 3.71: Synthèse de tétrazole s~hstitué Figure 3.72: Synthèse du cyano tétrazole.

Tétrazapentalène: La réaction du cyanure de pota- CN H CF3 H
ssium avec le cyanogène aboutit à la formation d'un ~_N~ ~_N~
bicycle cyané, le lH-imi~1~7.0[1, 5-b]s-triazole- ~,N_N~ Nq~N ~CF3 -2, 5, 7-tricarbonitrile[wileyl~ communément symbolisé CN CF3 par HC7N7. Identiquement la réaction avec le trifluoro- C7N7H C7F9N4H
acétonitrile conduit à la synthèse du 2, 4, 6- Figure3.73: synthèsedestélrdzapenldlène~
tris(trifluorométhyl)-l, 6a-dihydro-1, 3, S, 6a-letf~aL)P~ ne ;~" ~1, que nous symboliserons par la suite par HC7FgN4. La figure 3.73 montre les deux dérivés du léll~apçnt~lène obtenues.

2~ 941 21 . ..
II-3-3-2 Synthèse des anions:

Famile du .,~clo~,...ladiène:

~Le pentaméthyl cyclopentadiène-l, 2, 3, 4, 5-pentacarboxylate (PMCPH) est un produit commercial (Aldrich, 97%). Le sel de lithium est obtenu en traitant ce produit par un excès de carbonate de lithium (20% en excès) dans l'eau, la solution prend immé~ tement une coloration rouge intense. Après évaporation et séchage, le produit est repris dans l'acétonitrile, filtré, et évaporé (rendement - 50%). Le faible rendem.qnt s'explique probablement par une réaction de Knoevenagel entre un carbonyle et le carbone portant un proton labile en milieu basique, aussi avons-nous vérifié la pureté du sel de lithium par RMN dans D20/CD3CN. RMN IH: un pic (CO2CH3) à 3,6 ppm. RMN 13C: un pic (C-C) à 169,353 ppm, un pic (CO2Me) à 117,855 ppm, un pic (CO2CH3) à 52,661 ppm.

Famille de l'imidazole:

~2-bromo-4,~-dicyqnc;~ 7Ole: 0,127 mole (15 g) de dicyanoimidazole (TCI America, 95%) et 0,14 mole (19,4 g) de carbonate de potassium sont mélangés dans un bêcher contenant 250 ml d'eau, on observe alors un dégagement de dioxyde de carbone concomitant à la formation du sel de potassium du dicyanoimidazole. Après avoir placé le bêcher dans un bain de glace, on ajoute par portion (pendant ~ 15 mn) 0,127 mole de brome (- 6,6 ml), il s'ensuit un dégagement de CO2 dans les minutes suivantes. Après une heure, on ajoute 2 cc de brome et 7 g de carbonate de potassium.
Après une nuit, on ajoute de l'isopropanol permettant d'éliminer l'hydrobromure de potassium présent dans la solution, puis l'eau est évaporé au rotavapor, et le produit de synthèse séché à 50~C
sous vide. Une fois sec, le produit est repris dans le formate de méthyle, filtré pour éliminer le KBr formé au cours de la réacdon et le sel de potassium du dicyanoimidazole qui aurait pu ne pas réagir.
Nous avons en effet vériffé que ce sel est insoluble dans le formate de méthyle. Après évaporation du solvant, et séchage à 50~C sous vide, le produit est recri~t~llicé dans l'eau (~ 1 g/cc) On obtient ainsi ~ 28 g du sel de potassium du bromodicyanoimi(l~7ole (rendement ~ 94%). Le sel de lithium est obtenu par extraction à l'éther d'une solution aqueuse du sel de potassium, acidifiée par HCl 4M
en stoechiomé.trie Après évaporation de l'éther, l'acide est repris dans l'eau, traité par un excès de Li2CO3 (20% en excès ), évaporé, séché, repris dans le formate de méthyle, filtré, et enfin séché.

~2-chloro-4,5-dicyanoin~idazole: Afin d'éviter la manipulation de chlore ga_eux, nous avons utilisé
comme substitut le sel de sodium de l'acide dichloroisocyanurique, qui est un agent chlorant électrophile fa~ilement manipulable. La réaction s'effectue dans l'eau à basse température (~ 0~C) en p-ésellce de carbonate de sodium (le choix de la base étant important de par le pH qu'elle impose à la solution), telle que décrit sur la figure 3.74.

o . o C 1I NC~ CN ~ NC~ CN
~N~NNa )~ 1~0~N~NNa ~0 ~J Igl~N~O ~N
Figure 3.74: Synthese du sel de sodium du chloro dicyan~, ~ 7ole.
Après une nuit, la soltltion est centrifugée, l'eau évaporé, le produit séché, repris dans le formate de méthyle, filtré, et de nouveau séché. On obtient ainsi le sel de sodium du chlorodicyanoimi~7Ole (rendem-ont ~ 75%). Afin de purifier le produit, on repa~sse au sel de pot~ssinm, après extraction de l'acide à l'éther, puis celui-ci est recrict~llisé dans l'eau. On obtient alors le sel de lithium, après une nouvelle extraction à l'éther, suivant le même mode opérato~ que pour le dérivé bromé.

~2-trifluorométhyl-4,5-dicyanoimidazole: La réaction décrite dans la littérature ~B~g~
s'effectuant en deux étapes avec un rendement ~ 25%, nous avons envisagé d'autres voies de synthèse en nous inspirant des modes opératoires développés pour d'autres dérivés du dicyanoimidazole.
En premier lieu, nous avons essayé d'obtenir le produit au reflux d'un mélange d'acide trifluoroac~tique et de DAMN dans le diglyme: on mél~nge dans - 40 cc de diglyme, 0,034 mole de DAMN (3,718 g) et 0,069 mole d'acide trifluoroacétique (4 cc), puis cette solution est portée au reflux. n apparaît après ~ 1 heure un précipité noir dans la solution, après ~ 24 heures le solvant est évaporé, le produit obtenu est alors agité avec de l'éther, la solution filtrée, cette opération étant répétée trois fois. Les différentes fractions d'éther sont mélangées, l'éther évaporé, et le produit obtenu repris dans l'eau et traité avec 0,02 mole de carbonate de lithium (1,48 g). On obtient ainsi le sel de lithium du trifluorométhyldicyanoimid~7Ole avec un rendement ~ 60%, cependant, il faut noter que le sel de lithium formant probablement un complexe avec le diglyme, le sel est pâteux et contient donc encore une fraction de solvant.
Nous avons ég~lement essayé de cycliser le DAMN et l'acide trifluoroacétique par le P2Os dans l'acétonitrile: 0,03 mole (3,243 g) de DAMN et 0,03 mole (3,42 g) d'acide trifluoroacétique et 0,06 mole (8,7 g) de P2Os, ajouté par portion, sont mélangés d~ns ~ 50 cc d'acétonitrile anhydre, et cette solution portée au reflux sous argon pendant une nuit. L'acétonitrile est ensuite filtré afin d'éliminer le précipité noir présent dans la solution, évaporé, puis le produit est repris dans l'eau afin d'hydrolyser le P2O5 restant, et la solution aqueuse extraite à l'éther. On récupère de l'éther 1 g de trifluorométhyldicyanoimi~7.ole (rendement ~ 18%), transformé ensuite en son sel de pot~Ccillm- La même réaction effectuée au reflux de l'éthanol aboutit à un ren-lem~nt ~ 25%.
Dans tous les cas, il apparaît un charbon insoluble au cours de la réaction, aussi avons-nous ég~ltoment essayé de partir de la trifluoroacétylamide afin de ne plus effectuer la synthèse en milieu acide: on ajoute l~ntemerlt (~ 20 mn) 0,0216 mole (3 ml) d'anhydride trifluoroacétique à 0,0216 mole de DAMN en solution dans l'acétonitrile anhydre à 0~C. Après ~= 2 heures, le solvant est évapor~, et les 4,4 g du produit obtenu (rendement qu~ntit~tif) sont séchés sous vide à 50~C. Ce composé est alors porté au reflux d'une solution ~ 50 cc de diglyme sous argon pendant ~ 24 heures, il apparâît une nouvelle fois un précipité noir dans la solution. Après évaporation du solvant, le produit est repris dans l'éther, puis la solution d'éther filtrée, et évaporée. On passe au sel de pot~csillm en ajoutant 0,012 mole (1,7 g) de carbonate de potassium dans l'eau, et l'excès de carbonate est ensuite éliminé en reprenant le sel dans l'acétone. Le produit pâteux obtenu est alors lavé plusieurs fois à l'éther, arm d'éliminer les traces de diglyme, puis on repasse alors au sel de lithium après extraction à l'éther. On aboutit au sel de lithium du trifluorométhyldicy~noimi~7ole avec un rendement ~ 30%.
Nous avons ég~l~ment essayé d'effectuer une ~lictill~tion a_éotropique d'un mélange de DAMN, d'acide trifluoroacétique, et de pyridine (3 fois en excès par rapport à l'acide), on observe une nouvelle fois l'apparition d'un charbon insoluble.
Les sels obtenus étant tous noirâtres, nous avons réunis toutes les fractions, extrait l'acide à l'éther, et sublimé l'acide obtenu à 100~C sous vide. On obtient alors un produit cristallisé blanc qui est transformé en son sel de lithillm La pureté du sel de lithium est confirmée par RMN du carbone et du fluor dans CD3CN. RMN l9F: un pic (CF3) à -59,4914 ppm. RMN 13C: un quadruplet (C-CF3) à
150,357; 149,595; 148,847; 148,085 ppm, un quadruplet (C-CF3) à 128,532; 123,182; 117,841;
112,491 ppm, un pic à 120,037 ppm (C=C), et enfin un pic à 115,160 ppm (C-CN). La microanalyse du sel de lithium donne les proportions suivantes: C 35,15% H 1,56% N 26,09% F
24,51% (C6N4F3Li: C 37,53% N 29,18% F 29,68% Li 3,61%), l'écart à la stoechiométrie correspond vraisemblablement au monohydrate du sel de lithium (C6N4F3LiH2O: C 34,31% H
0,96% N 26,67% F 27,13% O 7,62% Li 3,3%).

~2~4~5-lr;~o-imidazole: L'aminodicyanoimid~7ole acidifié par un équivalent de HCl (4M) est diazoté par un équivalent de nitrite de potassium à 0~C. Il apparâît rapidement un précipité de diazodicyanoimidazole, après 15 mn on ajoute un équivalent de NaCN et deux équivalents de CuCN, il ~se dégage alors de l'azote de la solution. Après une nuit, on ajoute un demi-équivalent de carbonate de po~csillm permettant de précipiter un carbonate de cuivre, puis la solution est évaporée, le produit séché, repris dans le formate de méthyle, et séché. L'acide est extrait à l'éther, puis transformé en son sel de lithium (rendement ~ 30%).

Fan~ille du Triazole:

~Dicyanotr;~ole: La synthèse s'effectue en accord avec le mode opératoire décrit dans la littérature 1~ T ~ - ~ . 0,185 moles (20 g) de diaminomaléonitrile (Aldrich, 98%) sont mis en suspension dans 200 ml d'eau placé à la température d'un bain de glace. L'on ajoute alors 0,18 moles de nitrite de potassium (Janssen), puis la solution est portée à un pH de 2 en ajoutant lentement 5 cc d'acide chlorhydrique 4M. Après une heure, le diaminomaléonitrile est passé en solution, et la solution portée à un pH neutre en ajoutant du bicarbonate de pot~sillm~ filtrée sur papier, acidifiée avec 46 cc de HCl 4M, et extraite plusieurs fois avec de l'éther. Les dirrélelltes 21 9412~ ~

fraction d'éther sont alors évaporées à l'aide d'un évaporateur rotatif, après avoir été filtrée sur papier. Après sécll~ge pendant une nuit à temp~ ure ambiante sous vide, 18,77 g de l'acide du dicyanotriazole sont obtenus (rtondem~nt 86%). Le produit présent~nt une légère coloration jaune, celui-ci est par la suite sublimé sous vide à 100~C, l'on obtient au final l'acide sous forme de critaux blancs avec un rendement de 75%. Dans un premier temps, une analyse par spectroscopie infra-rouge de l'acide montre l'~bs~ ~-ce d'une bande relative au carbo~amide qui aurait pu résulter de l'hydrolyse des fonctions cyanées. Le résultat de la microanalyse de l'acide sublimé, donnée ci-dessous, confirme la pureté du produit obtenu:
llanalyse du dicyanotriazole C4NsH
C: 40,44% H: 0,75% N: 58,78% C: 40,34% H: 0,85% N: 58,81%
La RMN lH dans CD3CN donne un pic à 9,5 ppm correspondant au proton acide de la molécule.

~2 an~ino-5-trifluorométhyl-triazole: On ajoute goutte à goutte 0,22 mole (z 17 ml) d'acide trifluoroacétique à 0,2 mole (27,2 g) de bicarbonate d'aminoguanidine dans 50 ml de toluène. Une fois le dég~g~m~nt de CO2 cessé, la solution est portée au reflux dans un appareil à dictill~tion azéotropique. Après une nuit, le toluène est évaporé et le produit séché pendant 24 heures à 50~C
sous vide. Il est alors lavé par plusieurs fractions d'éther, on obtient ainsi 28,6 g d'amino trifluorométhyltriazole (rendement - 94%). Une fraction du produit est puri~lé par sublimation à
100~C sous vide, son spectre RMN dans CD3CN prouve sa pureté. RMN IH: un pic (C-NH2) à 5,4 ppm, et un pic (-NH-) à 11,1 ppm, le rapport des pics étant de 2 à 1. RMN 19F: un pic (CF3) à
-61,914 ppm. RMN 13C: un quadruplet (C-CF3) à 153,082; 152,318; 151,555; 150,801 ppm, un quadruplet (C-CF3) à 128,738; 123,404; 118,063; 112,734 ppm, et un pic (C-NH2) à 158,851 ppm.
La microanalyse donne le résultat suivant: C 23,36% H 1,85% N 36,24% F 36,82% (C3N4F3H3: C
23,69% H 1,99% N 36,84% F 37,48%).

~2-cyano-S-tritluorométhyl-triazole: L'amino trifluorométhyltriazole acidifié par un équivalent de HCl (4M) est diazoté par un équivalent de nitrite de potassium à 0~C. Il apparâît rapidement un précipité de diazotrifluorométhyltriazole, après 15 mn on ajoute un équivalent de NaCN et deux équivalents de CuCN, il se dégage alors de l'azote de la solution. Après une nuit, on ajoute un demi-équivalent de carbonate de potassium permettant de précipiter un carbonate de cuivre, la solution est évaporée, le produit séché, repris dans le formate de méthyle, et séché. L'acide est alors extrait à l'éther, puis sublimé, et enfin transformé en son sel de lithium (rPndement - 30%).

~1 941 27 Famille du Tétrazole:

~Le p-nitrophényltétrazole (Lancaster, 97%) et le 3, S-bis(trifluorométhyl)tétrazole (Maybridge) sont des produits commerciaux, ce dernier a été sublimé sous vide à 100~C avant utilisation. Les sels de lithium sont préparés de façon conventionnel, excepté que le sel de lithium du paranitro phényltétrl~ole e~t repris dans un mélange éthanoVacétonitrile, étant insoluble dans l'acétonitrile.

~Le S-trifluorométhyltétrazole est un produit commercial (Aldrich, catalogue des produits rares):
1,81 mmoles (250 mg) de trifluorométhyltétrazole sont traités par 1 mmoles de carbonate de lithium dans l'eau. Après séch~ge et une nuit à 50~C sous vide, le sel est repris dans l'acétonitrile, filtré, et évaporé. On obtient ainsi ~ 250 mg du sel de lithium avec un rendement ~ 96%.

~5-trifluo ~ac8~1tétrazole: Ce composé est synthétisé par action d'une quantité stoechiométrique d'anhydride trifluoroacétique sur le cyanure de sodium dans le THF à froid, pour former le cyanure de trifluoroacétyle. Après ~ 30 mn de réaction, l'on ajoute une quantité st~chiométrique d'azoture de sodium, et la solution est ensuite agitée à température ambiante pendant ~ 48 heures. Après évaporation du solvant, le produit est repris dans l'eau, acidifié par un excès de HCl 4M (50% en excès) et extrait à l'éther. On repasse alors au sel de lithium de la façon déjà exposé précédemment Famille de l'acide barbiturique:

~L'acide 1,3-diméthylbarbiturique est un produit commercial (Aldrich, 98%), on obtient son sel de pot~c.sium en l'agitant avec un excès de carbonate de potassium (20% en excès) dans l'éthanol pendant ~ 48 heures, filtration de la solution et évaporation de l'éthanol. Le sel de lithium est obtenu par le carbonate de lithium (20% en excès) dans l'eau, puis l'excès de carbonate est éliminé en reprenant le sel de lithium dans un mélange équimolaire d'éthanol et d'acétonitrile.

~5 trifluo~ étyl~ diméthylbarbiturique: le sel de potassium de l'acide diméthylbarbiturique est traité par 1,2 équivalent de trifluoroacétate de trifluoroéthyle dans la DME. Le sel de potassium insoluble dans la DME se solubilise progressivement au cours de la réaction, une fois tout le produit dissous (~ 24 heures) la solution est évaporée, on obtient ainsi le sel de potassium de l'acide trifluoroacétyldiméthylbarbiturique avec un rendement qu~ntit~tif. Le sel de lithium est ensuite obtenu par extraction à l'éther, tr~item~nt par Li2CO3, et le produit repris dans l'acétol-itrile.

dibutyl-2-barl,;lul;que: On m~l~nge une quantité équimolaire de dibulylul~e et de dichlorure de malonyle dans le dichlorom~th~n~" on observe un dégagement de HCl concomit~nt à la réaction.
Après 48 heures, la solution est évaporée, et l'on obtient l'acide dibutylbarbiturique avec un r~ndemtont qu~n~ if~ Les sels de lithium et de potassium sont obtenus à partir de leurs carbonates ~spec!;rs, dont les excès sont ~limin~s en reprenant les sels dans un m~l~nge éth~nollacétonitrile~

~1 941 27 dibubl-2-sulfonylbarbiturique: On ajoute le~t~ment un équivalent de chlorure de sulfuryle dans une solution de dichlorom~th~ne à 0~C, conttqn~nt 4 équivalents de butyl~mine Après une nuit, la solution est évaporée, puis le produit repris dans l'heptane, et filtrée afin d'~liminsr l'hydrochlorure de butylamine formé au cours de la r~action On obtient ainsi la dibutylsulfonylurée avec un re.ndemlq-nt de 80%. Par la suite, on procède suivant le même mode opératoire que pour le dibutylbarbiturique.

._ Il-3-3-3 Conductivite des anions cyc~ques:

Anions de la famille du cyclopentadiène:

PMCPLi: La conductivité du sel de lithium du pentaméthylcyclo- MeO2C CO2Me pe.n~ .n~. l, 2, 3, 4, 5-pentacarboxylate (PMCPLi) est donnée sur la M O c~CO2Mefigure 3.75, pour dcs compositions à C,~ , 12, e; 1 C~1. romme nous + '~
pouvons le const~t~r, la conductivité obtenue est médiocre et n'atteint une ' CO2Me valeur de 10-5 Q-l.cm-l que pour une température supérieure à 120~C. PMCPLi ~ o-2 ~ ¦ PMCPLi ¦

E 10 4 - ~ _ O 1 0 ~ = = = ~

" .7: 0 O/Li=8/1 \\\~
10 - O O/Li=12/1 \~
8- ~ O/Li=16/1 ~3--E~
TFSI O/Li=8/1 --~3 10 9 ' ' ' ' I
2,6 3 3,5 1 000/T(K) Figure 3.75: Courbe de conductivité du sel de lithium du pentacarbométhoxy cyclopentadiene.
A première vue, cette faible conductivité peut sembler étrange au regard du pKa de l'acide du pentacarbométhoxy cyclopentadiène 1 o'4 en milieu aqueux, que l'on estime <-7 (Cf II-3-3-1, tableau 3.14). En 'E 10-5 - ~ ¦ O/Li=8/1 ¦ ~
fait, cet exemple illustre parfai- -" -tement les concepts introduits E 1 o-6 ~
préc~emm~.n~, sur l'influe.nce de la ~- 1 0'7 - \ _ nature du solvant sur la solvatation .' ~5~
des anions. L'acide du PMCP est ~'1 o-8 0 (CH3SO2)NLi \E~E -facil~mP.nt solvaté en milieu aqueux, ~ ~ PMCPLi ce qui nous laisse supposer que la 1 o 2 4 2, 9 charge est essentiellement délo- 1 000/T(K) calisée sur les atomes d'oxygènes Figure 3.76: Com~ison de la conductivité des sels de lithium du PMCPLi et de (CH3SO2)NLi pour une c~i"~,os;ti.,n a O/Li = 8/1.
présents sur le cycle. Par contre, le ., poly(oxyde d'éthylène) étant un mauvais solvant des bases dures, telles les atomes d'oxygènes, le sel de lithium du PMCP est visiblement très peu dissocié dans un tel milieu. La figure 3.76 montre ainsi que la conductivité du sel de lithium du PMCP est proche de celle obtenue pour le sel de lithium de la bis(méthanesulfonylimide), et ce pour une même composition à O/Li = 8/1. En supposant que ces deux anions pré~ntçnt une basicité équivalente, l'on peut estimer, d'après les hypothèses formulées précédçmmP.nt (Cf II-3-2-1), que le pKadmSo de l'acide du PMCP est proche de celui de la bis(méth~nesulfonylimide) de pKadmS~ ~ 15 - 9 = 6, soit ~ 13 unités pKa de plus qu'en milieu aqueux.

''_ Anions de la fan~ille de l'j~

BrD(: Tm~ La condu-;livi~ du sel de lithium du bromo-dicyanoimid~7ole est donnée sur la figure 3.77, pour des compositions à O/Li = 8/1, 12/1, et 16/1. Pour une composition à O/Li = 8/1, la courbe de con~ ;l;vilé présente un aspect identique à celui correspondant à une loi de volume libre.
Ceci est cohérent avec l'observation visuelle du film d'électrolyte, qui est pour cette composition parfaitement transparent après deux sem~ines en boîte à gants, caractérisant l'état amorphe du polymère. Cette composition doit être proche de la composition eutecti~lue, comme l'atteste d'ailleurs l'a--gm~n~ion de la température de fusion de l'électrolyte avec la dilution en sel.
1o2 10 5 - o 0/Li=8/1 ~
- o O/Li=12/1 ~ -1 o-6 - e O/Li=16/1 - ~ TFSI O/Li=8/1 \~

2,5 3 3,5 1 000/T(K) Figure 3.77: Courbe de conductivité du sel de lithium du bromo-dicyanoi" ' ~ e.
Ce résultat est cohérent avec l'hypothèse émise précédemment (Cf II-3-2-1), suivant laquelle les bases molles déloc~licées, dont les acides conjugués présentent un pKaH2O~ 1, peuvent être envisagées pour obtenir des sels de lithium appréciablement dissociés dans le poly(oxyde d'éthylène). En effet, le bromo-dicyanoimidazole, dont l'on peut estimer le pKaH2O 4 (Cf II-3-3-1, tableau 3.17), présente une conductivité qui n'est inférieure que d'un facteur quatre à
cinq, dépendant de la température, relativement à celle du sel de lithium du TFSI à O/Li - 8/1.

Pour finir, le tableau 3.19 donne les paramètres correspondant à une loi de volume libre pour le BrDCImLi et le LiTFSI à O/Li = 8/1. Notons que la température de transition vitreuse idéale pour le BrDCImLi n'est ainsi = 14~C supérieure à celle obtenue pour le LiTFSI dans les mêmes conditions.
Tableau 3.19 raldlll~1re ~~e la loi de volume libre pou le LI~FSl et le BrDClmLi ~ O/Li = 8/1.
Anion A (Q-l.cm-l.Km) Ea(eV) T (~C) BrDCIm 3,2 +/- 1,6 0,08 +/- 0,005 -56 +/- 6 TFSI 15 +/- 12 0,08 +/- 0,02 -70 +/- 1 1 ~ . .
ClDC~ La conductivité du sel de lithium du chloro-dicyanoimidazole (ClDCImLi) est donnée sur la figure 3.78, pour une composition à 0/Li = 12/1, en comparaison à celle du dérivé bromé.
1 o 2 _103- o~ ~~ O ~ O~ XDCImLj¦ --~ 10-4 - ~
Q 1 0 5 ~ ~

, 10 ~ - O X=CI O/L;-12/1 \\E3 ~
O O X=Br O/L;=12/1 ~ 10 7 - TFSI O/L;=8 \~

1 OOO/T(K) Figure 3.78: Courbe de conductn~ité du sel de l~thium du chloro-dicydr~,,, ' 7e.*.
Il est remarquable de constater que la substitution du brome par le chlore permet d'améliorer la conductivité d'un facteur deux environ. Ce sel présente, en définitive, une conductivité inférieure de seuleme~t un facteur deux relativement à celle obtenue pour le sel de lithium du TFSI à 0/Li = 8/1.
Cette augmentation de conductivité du produit chloré, relativement au produit bromé, est probablement à relier à l'effet électroattracteur respectif de ces deux halogénures. Si l'on se réfère aux données relatives à ce sujet du tableau 3.15 (Cf II-3-3-1), il apparaît que les coefficients de H~mmett de ces deux halogènes sont sensiblement équivalents. 1 o-2 , , , , ~ , . .
Cependant, il ne faut pas oublier que - 1 o-3 - ~ ~ L~
la partie par résonance dépend du recouvrement des orbitales 1~ de E 1 0-4 l'halogène avec le cycle aromatique. ~ 10-5 Dès lors, l'on peut supposer que ce . ~ \ \
~_ 1 o-6 ~ e ClDClm O/Li=12/1 \ \
recouvrement est influencé par la g \ \
~ ~ DMATFSI O/Li=1211\ ~1 naturedel'halogène, etpeutinciterà ~ 10 7 1- TFSI O/Li=8/1 ~3 synth~ticer, par la suite, le dérivé 1 o-H-fluoré du dicyanoimi~701e. 2, 5 3 3, 5 1 oOO/T(K) Figure 3.79: Co""~a,ai~n de la conductivité du sel de lithium du Comme l'illustre la filgure 3.79, la choro-dicyan~,'.,.'' -,'eetdudiméthylaminoTFSlàO/Li=12/1.
conductivité de ce sel est prati-quement identique à celle obtenue, pour une même composition, avec le sel de lithium dudiméthylaminoTFSI, tout en p~~se~ t l'avantage de ne pas faire appel à la chimie du fluor.

CF3DCImLi: La courbe de conductivité du sel de lithium du trifluorométhyl-dicyanoimi~7ole (CF3DCImLi) est donnée sur la figure 3.80, pour des compositions à O/Li = 8/1, 12/1, et 16/1.
102 , , , I

1 0~3 - ~ a ~ CF3DClmLi ¦

,. o - ~

~ O/Li-12/1 ~
o - o O/Li=16/1 ~ ~
10 ~ TFSI O/Li=8/1 ~ ~

.8 , , , , I , , , , ~
2,5 3 3,5 1 000/T(K) Figure 3.80: Courbe de conductivité du sel de lithium du trfflwr""~ dicy~noi".: ' - .'e.
Il est intéressant de noter que la conductivité est identique pour ces trois compositions, lorsque l'électrolyte est dans un état fondu. Par contre, il est surprenant de constater que pour une même composition à O/Li = 12/1, la conductivité du sel de lithium du dicyanoimidazole substitué par un groupement trifluorométhyle, est moindre que celle pour la molécule substituée par un chlore, et identique à celle de la molécule subs-tituée par le brome, comme l'illustrc la 1 o-2 figure 3.81 pour ce dernier. En --1 o-3_~ ¦ O/Li=12/1 ¦ _supposant que ceci exprime l'influence E ~
du substituant sur la dissociation du 'E 10 ~p ~
sel, les informations données dans le ~ ~ o-5-~
tableau 3.15 (Cf II-3-3-1), tendrait à ~ ~ \
suggérer que dans le cas présent, l'effet ~, 1 ~ o CF3DClm \\~1 du substituant est décrit essen- O 10-7- 1~1BrDClm \9 -tiellement par la partie inductive qui ~ 8- ~ -est ~especlivement égal à 0,42 pour le 1 2, 5 3 3, 5 groupement trifluorométhyle, et 0,44 1 o o 0/T ( K ) Figure 3.81: Com,oaraison de la conductivité du dérivé bromé
pour le brome. Ce raisonnement etdudérivétrifluorom~ Jrlédudicyan~.',.'' 7.~ ,aO/Li=12/1 simple, dont la validité, s'il s'avère exact, po~ vraisemblablement être confirm~ par des calculs de mec~nique quantique, n'explique cependant pas la conductivité obtenue avec le chloro dicyanoimid~ole. Cette famille de sels mériterait une étude complète de leurs propriétés par l'élaboration de leurs diagrammes de phases en milieu polymère, et la détermination de leurs pKa et DNX-~solv en milieu aprotique.

2i 941 27 An~ions de la famille du Ir.~ ~e-TFCTrLi: La courbe de conductivité du sel de lithium du trifluorométhyl-cyanotriazole (TFCTrLi) est donnée sur la figure 3.82, pour des compositions à O/Li = 12/1, 14/1, et 16/1.
-2 , , , , I

10-3 ~ Tr~,T~Li I _ ~ 1 0-4 10 5 ~
~ O O/Li=12/1 ~ O O/Li=14/1 o ~ o O/Li=16/1 ~
10 ~ TFSI O/Li=8 ~ ~
-a , , , , I , , , ,~
2,5 3 3,5 1 OOO/T(K) Figure 3.82: Courbe de conductivité du sel de lithium du trifluorométhyl-cyanotriazole.

N--N La figure 3.83 permet de comparer la conductivité du dérivé trifluorométhylé du cF3~e,~cN cyanotriazole, relativement à celui du dicyanotriazole, et ce pour une même u+ composition à O/Li = 12/1, cette comparaison tirant son intérêt du fait que ces TFCTrLi deux sels contiennent chacun au moins un 1 o 2 groupement cyano, et un groupement ~ 3~
trifluorométhyle, bien qu'en positions non E ~) ~ _~_ identiques. Comme l'illustre cette figure, ~ 10 4 la conductivité pour ces deux sels est o .5-sensiblement équivalente. Ce résultat est en accord avec la proximité des valeurs de ~, 1 0 oTFCTr O/Li=12/1 ~ -pKaH2O des deux acides en dérivants, que O 1 ~ ~ ~ ~3TFSI O/Li=8/1 ~1 ~
l'on peut estimer entre 2 et 3 (Cf II-3-3-1, C) ~ 8 . I
tableau 3.17), et laisse à penser, dans le 1~2,5 3 3,5 cas présent, que la conductivité est 1 000/T(K) - Figure 3.83: C~",f~r .i~n de la conductivité du dérivé
essentiellement liée ~ la basicité des triflu:,rui,,t~ lédudicyanoi" .e etducy~nc.lriazole anions. Par contre, la nature du cycle aromatique portant les subs~itu~nts~ autrement dit l'imid?7ole ou le tria_ole, ne semblent pas jouer ici un grand rôle sur la conductivité des sels de lithium en dérivants dans le poly(oxyde d'éthylène).

DCTrLi: La courbe de conductivité du sel de lithium du dicyanotriazole (DCTrLi) est donnée sur la figure 3.84, pour des compositions à O/Li = 6/1, 8/1, lVl, 14/1, et 16/1.
1 o-2 E 1 ~ 4 ~ 10 5 - O O/Li=6/1 '~D e O/Li=8/1 \'~
o-6 0 O/Li=12/1 \~ ~
O/Li=14/1 ~\~
1 0 7 ~ ~ O/Li=16/1 ~
TFSI O/Li=8 ~3 0 ~
2,5 3 3,5 1 OOO/T(K) Figure 3.84: Courbe de conductivité du sel de lithium du dicydnolr _; 'e.
Contrairement aux exemples précédents, le sel de lithium du dicyanotriazole présente un optimum de conductivité particulièrement marqué, et ce pour une composition à O/Li = 14/1. Il est probable que ce fait soit à relier à la structure du dicyanotriazole, qui est une molécule plate et symétrique.
Pour cette optimum de conductivité, ce sel présente une conductivité inférieure d'un facteur 1,5 à 2, dans le domaine de température compris entre 40 et 60~C, à l'optimum de 6 o A
conductivité du LiTFSI. Ce résultat est ¦~Lixpt T=80~C v=20mV/s particulièrement encourageant pour le 2 0 ~ ~ _développement de substitut non-fluoré au ~ ~ ¦
TFSI, du fait de la simplicité de synthèse de ' - 2 ~ ~ ~----H2O
cette molécule et de son coût modéré. - 4 0 ~
- 6 0 - ¦ DCTr O/Li=20/1 ¦ -De ce fait, l'étude du domaine de stabilité - 8 ~ ~Li~ + e ~ Li~
électrochimique du dicyanotriazole présente 1 0 0 0 1 2 3 4 un intérêt tout particulier. Le résultat de la E (Volts) vs. Li'/ L i~
voltammétrie cyclique, obtenue sur une Figure3.85: Voltai"",~l,iecycliquedudicydn~ zule.
microélectrode de platine d'un diamètre de 125 ~1, pour un électrolyte de composition à O!Li = 20/1, est donnée sur la figure 3.85 [~anl3], Comme nous pouvons le coll-ct~ter~ cet anion présente un potentiel d'oxydation d'au moins 4 Volts relativement au lithium, et semble stable en réduction vis à vis d'une électrode de lithium. Ce dom~ine de stabilité d'au moins 4 Volts est à priori sl~ffis~nt pour l'application envisagée, et justifie un essai de cyclage d'une batterie utilic~nt cet anion comme sel, en substitution au LiTFSI.

Amrions de la fanL'ille du t~ e:

Les figures 3.86 et 3.87 pr~se.ntent les~eelivell,ent, la conductivité du sel de lithium pour une composition à O/Li = 8/1, lV1, et 16/1 du nitrophényl-tétrazole (NPTétLi), et pour une composition à O/Li= 12/1 pour le bis(trifluorométhyl)phényl-tétrazole (bT~létLi). Dans les deux cas, les con.~u.~,livilés obtenues sont faibles, et n'atteignent une valeur de 10-5 Q~l.cm~l que pour z 60~C.
10'4 ' ' ' ' I ' ' ' ' 10'4 ' ' ' ' I
1 o-S ~ ~ -E 1 0 ~ bTFPTétLi ¦ -E 10 6 - \ - ' 1 o 6 - ~ _ ~ 10 7~ --,10 ~ : O 8/1 - ~
C~ 1 o'8 - o 12~ 1 o-8 0 16/1 ~ ¦ o 0/Li=12/1 ¦

1 OOO/T(K) 1 OOO/T(K) Figure 3.86: Courbe de conductivité du selFigure 3.87: Courbe de conductivité du sel de lithium du para-n ~. uf~hé,lyl-t~lr . ~ 'e.de lithium du bis(trifluorométhyl)phényl-telr -~ 'e Les figures 3.88 et 3.89 présentent, quant à elles, la conductivité du sel de lithium du triQuorométhyle (CF3TétLi) et du trifluoroacétyl-tétrazole (CF3COTétLi), pour une même composition à O/Li = 12/1.
1 o 2 , , , , , , , , , 1 o-2 1 o 3 - ~_ ¦ CF3TétLi ¦ _ 1 o 3 - ~ - ¦ CF3COTétLi ¦ -u 10 - ~ 10 .~ 10 \ ~--10 6_ \ -~ 1 0 7- \~ - ~10 7 - ~ -- o O/Li=12/1 - ~ - o 0/Li=12/1 ~ -10 -TFSI O/Li=8/1 1 0 3 - _ ~TFSI O/Li=8/1 \~

~2,5 3 3,5 102,5 3 3,5 1 OOO/T(K) 1 OOO/T(K) Figure 3.88: Courbe de conductivité du selFigure 3.89: Courbe de conductivité du sel de de lithium du triflu~run.~ t~ 'e.Iithium du triflwr.Jacetyl-~elr . - 'e .~
Il peut sembler sul~,renant, de constater la moindre conductivité du tétrazole substitué par un groupement trifluoroacétyle, vis à vis de celui portant un groupement trifluorométhyle, conn~ s~nt le moindre pouvoir attracteur de ce dernier. Il 3~Cprobable, que le trifluoroacétyl-tétrazole présente une géométrie telle, qu'il peut ~ ,C--N"
former un cycle à cinq atomes (indiqué en gras sur le sch~m~ ci-dessus) qui chélate (~) N~Ne~N
le cation lithillm La constante d'association qui en résulte diminue d'autant la CHELATE
dissociation appauente du sel, ce résultat pourrait-être confirmé, par une étude de l'acidité de ce sel dans le DMSO, et ce grâce aux méthodes développées à cet effet (Cf II-3-1-2).
..
La figure 3.89 permet de comparer la conductivité du trifluorométhyl-tétrazole, à celle obtenue pour le dicyanotriazole, pour une même composition à O/Li = 12/1, même si celle-ci ne correspond pas à l'optimum de conductivité pour le dicyanotriazole, il semble plus judicieux de comparer les conductivités respectives dans ces conditions. Cet comparaison présente un intérêt particulier, puisque le dicyanotriazole et le trifluorométhyl-tétrazole présente un pKaH20 sensiblement équivalent -1,5 (Cf II-3-3-1, tableau 3.17). Il en résulte, que dans ces conditions, la conductivité
du trifluorométhyl-tétrazole est inférieure de moins d'un facteur deux à celle du dicyanotriazole. Il serait n~ce.s~ire d'étendre la gamme des compositions étu~i~es pour le trifluorométhyl-tétrazole, afin de déterminer si la conductivité obtenue à O/Li = lVl correspond à l'optimum pour ce sel.
1 0-3 ~ ' 1 0 3 2/~¦ ' E 1 o ~

~, o DCTrLi \ ~-10 7- 0CF3TétLi - cl CF3TétLi ~ o 1 o~8 - TFCTrLi ~-~ 1 o-8~ ~ 1 0 2,5 3 3,5 2,5 3 3,5 1 oOO/T(K) 1 oOO/T(K) Figure 3.89: Co,,,,v~r~ison de la conduc~ivité du sel Figure 3.90: Comparaison de la conductivité du sel de lithium du Cf3TétLi et du DCTrLi à O/Li = 12/1. de lithium du Cf3TétLi et du TfCTrLi a O/Li = 12/1.
La figure 3.90 permet de situer la conductivité du CF3TétLi, relativement à celle du trifluorométhyl-cyanotriazole, et ce pour une même composition à O/Li = 12/1. Ce dernier, malgré
un pKaH2O ég~l~ment proche de celui du tétrazole (~ 2 à comparer à 1,7 pour le tétrazole) est pratiquement trois fois plus co~uctellr. Ce résultat poull~l laisser penser que la nature du substrat intenient dans ce cas, mais il serait risqué de chercher à en tirer des conclusions par trop hâtives, vu le peu de données thermodynamiques disponibles sur les azoles s~lkstitués en milieu aprotique.
Pour en finir avec le tétrazole, il serait probablement int~ l de chercher à synthéticer le dérivé
trifluorom~th~nesulfoné, qui devrait améliorer nettPm~nt la condu~;livi~ relativement au CF3TétLi.

~. 101 ~1 9~1 27 Anions de la fan~ille de l'acide barbilurique:

MeBb: Les figures 3.91 et 3.92 donn~-nt respecLi~el"ent la conductivitG de sels de lithium et de polassium de l'~cide dimelhylbarbilurique (MeBbM), pour une composition à O/Li = 8/l, 12/1, et 16/1. Même si les con~]vclivilés obtenues sont relativement faibles, et n'~ttei~n~nt une conductivité
proche de 10-5 Q-l.cm~l que vers 100~C pour les meilleurc~ ude de cette famille d'anions n'est pas dénuéie d'illt~lGt, de part les nombreuses po.ccihilit~s de jouer s.,i la chimie de ces acides.
1 0'4 10~4 o-5 ~ MeBbLi ¦ _ ~ 1 0'5 -El o ¦ MeBbK ¦
E ;~10b~

~ - O 8/1 ~ ~ 0 8/1 8 1 o-8- o 12/1 \\ -8 1 o-8- 0 12/1 \~
- o 16/1 \~ o 16/1 \~

10 9 ~ 10 9 ' ' ' ' I
2,5 3 3,52,5 3 3,5 1 OOO/T(K) 1 OOO/T(K) Figure 3.91: Conductivité du sel de lithium de Figure 3.92: Conductivité du sel de pot~s~iurn de l'acide diméthyl~,b.itl~rique.l'acide dimét~ylL,arb, ~rique.
En premier lieu, il est surprenant de constater que la conductivité en lithium et en potassium présente un optimum très marqué pour la composition à O/Li = 12/1, et surtout que pour celui-ci, le sel de lithium de l'acide diméthylbarbiturique est plus conducteur d'un facteur deux que le sel de potassium. Il en va de même pour la composition à O/Li = 8/1.

Ce résultat est pour le moins surprenant, les sels de potassium étant en général plus dissociés et de moindre énergie réticul~ire que leurs homologues en lithium et donne des films d'électrolytes à la fois plus amorphes et plus conducteurs. Il est possible d'avancer l'hypothèse que le déplacement du lithium s'effectue, dans le cas présent, par un m~canisme de transport véhiculaire, pour expliquer ces valeurs de conductivités. Le principe d'un tel m~C~nisme est illustré par l'équation ci-dessous:
Transport véhiculaire: 2 MeBb ~ + 2 Li+ ( ) 2MeBb ~, Li+ Li+

Cela revient à considérer qu'une fraction du lithium est transportée dans l'électrolyte sous forme anionique, et donc, avec un nombre de transport plus élevée (t-~ 0,7) que celui relatif au cation lithium (t+~ 0,3) se déplaçant par un méc~nicm~ de solvatation/désolvatation le long des hélices de poly(oxyde d'éthylène). Cette hypothèse implique que l'anion de l'acide diméthylbarbiturique est .
capable de complexer le cation lithium, comme l'illustre la figure 3.93, et ~ o ainsi de masquer la charge du cation vis à vis du poly(oxyde d'éthylène). Me~NJ~N,Me I el Cette assertion n'est pas dénuée de sens, puisque les deux carbonyles et le ~ ,c o carbone acide forment un cycle à cinq susceplible de complexer le cation (~)H
lithillm, et ce de façon similaire à l'acétyl acétone qui présente une constante o~ ,c~ "o d'association élevée pour le lithium de pKaSs = i,77 [~o~welq. Au contraire, la c ~ c constante d'association est nettement plus faible pour le potassium, Me' ~ 'Me pKasS=4,77 18ordWelll. Tout ceci pourrait expliquer au final, la moindre o conductivité du sel de potassium de l'acide diméthylbarbiturique, Figure3.93: Con.r'~ ;on relativement au sel de lithium. Encore une fois, il serait nécess~,;re deLilparllanionduMeBb.
d'effectuer une étude des propriétés complexantes de l'acide diméthylbarbiturique dans le DMSO, à
l'aide des méthodes développées à cet effet (Cf II-3-1-2), afin de confirmer les hypothèses émises précédemmP.nt Le carbanion de l'acide diméthylbarbiturique étant sllffis~mment réactif pour perrnettre des substitutions nucléophiles sur ce substrat, la figure 3.94 donne la conductivitédu sel de lithium de l'acide trifluoroacétyl-diméthylbarbiturique 'N,~ Li+
(TFAMeBbLi), pour une composition à O/Li = 8/1, 12/1, et 16/1. La présence o=~ e )--Icl--CF3 du groupement trifluoroacétyle permet de gagner plus d'un ordre de grandeur /N~ o sur la conductivité obtenue à 120~C (- 2.10-4 Q~l.cm~l), relativement à celle TFAMeBbLi pour l'acide diméthylbarbiturique (= 2.10-5 Q~l.cm~l), et ce pour les optimums de conductivité respectifs à chacun de ces sels, soit à O/Li = 12/1 pour le sel de lithium de l'acide trifluoroacétyl-diméthylbarbiturique, et à O/Li = 8/1 pour l'acide diméthylbarbiturique.
10-3 ' ' ' ' I ' ' ' ' 10-3 - '~4~, ¦TFAMeBbL~ O/LI=8/1¦
- 10 5~ - 10 - ~ -10 O 1 6/1 ~ CF3COMeBbL;
1 ~2 5 3 3.52 5 3 3 5 1 000/T(K) 1 000/T(K) F;9Ure 3.94 Conductivité du sel de lithium de F;9Ure 3.95 Conductivité du sel de potassium de l'acide trifwruacélyl-diméthylbarbiturique. I'acide trifu~r,ac~tyl-diméthylbarbiturique.

L'a~lgmentation de la conductivité est encore plus spect~ul~ire pour une même composition à
O/Li = 8/1, entre le MeBbLi et le TFAMeBbLi, comme l'illustre la figure 3.95.

BuBb: Il est é~ em~nt possible de jouer sur la longueur des châînes alkyles pour modifier les propriétés physico-chimiques des acides barbituriques. Les figures 3.96 et 3.97 donn~nt ainsi la con-lu ;ti~ilé des sels de lithium et de pot~cci~lm de l'acide dibutylbarbiturique (BuBbM), pour une col~position à O/Li = 8/1, 12/1, et 16/1. Conl.~u~.uent aux sels de lithium et de pot~csillm de l'acide diméthylbarbiturique, l'on n'observe plus un optimum marqué de la conductivité; de plus, les sels de potassium sont plus conducteurs d'au moins un ordre de grandeur relativement à leurs homologues en li~hinm Ceci n'est pas en contradiction avec l'hypothèse précédçnte d'un transport partiell~ment véhiculaire du lithium avec l'acide diméthylbarbiturique, l'encombrement stérique r~sult~nt de la présence des groupem~ntc butyles limit~nt probablement les possibilités d'existence d'un complexe stable entre un cation lithium et deux anions de l'acide dibutylbarbiturique.
1 0~3 1 0'3 0~4 - ¦ BUBbLi ¦ ~ 1 0~4 _~ ¦ BUBbK¦

0 ~ o 8/1 10-~ - + 12/1 - ~1 o-8, = 12/1 10 9 ~ 10'9 2,5 3 3,52,5 3 3,5 1 000/T(K) 1 000/T(K) Figure 3.96: Conductivité du sel de lithium de Figure 3.97: Conductivité du sel de p~t~c~ n de l'acide dibutyl~~ ique.I'acide dibutylbarbiturigue.
L'aspect visuel des films est profondément modifié par la substitution des groupements méthyles par des butyles, en effet, les films très crist~llins pour le méthyle, prennent l'apparence car~ctéristique d'électrolytes dans un état amorphe, de par leur transparence, avec le butyle. Il existe donc bien un effet de plasdfication interne des chaînes de poly(oxyde d'éthylène) par ce sel, résultant de l'augmentation de la longueur des groupements alkyles. Il serait nécess~ire de qu~ntifier ce paramètre par l'étude des p-opl;étés thermiques des m~l~nges polymères/sels.

D'autre part, la présence de gloupe---ents butyles permet de faciliter la mise en solution des sels, du fait de la ~ ulion de leur énergie rédculaire qui résulte du d~so~t; introduit par ceux-ci.

2194~27 BuSBb: Les figures 3.98 et 3.99 donn~.nt lc;spe~;live~ la conductivité du sel ~~ "~
de lithium et du sel de potassium de l'acide dibutylsulfonylbarbiturique 'N'S'N'BuLj+
(BSBbM), pour une composition à O/Li = 8/1, 12/1, et 16/1. La conductivité du O~O
sel de lithium n'est plus inférieure que d'un facteur trois, relativement au sel de su potassium de l'acide dibutylsulfonylbarbiturique. Ici aussi, les films obtenus, par leur ~ ~,lce, p.~ é~PlPmçnt les calaetl~ ;cti~lues vi.~u~lles d'un électrolyte amorphe.
10'3 10 3 _.10 ~__~BuSBbLi¦ - _ 10 ' sl~BuSBbK¦ ---1 0 6 ~ 1 0 6 _ ~ _ 10'7- ~ 8/1 ~ - ~ 10'7- ~ 8/1 ~ -1 o 8 - = 12/1 ~,9 ~ 1 o 8 _= 16/1 1 0 9 ~ 10 9 ' ' ' ' I
2,5 3 3,5 2,5 3 3,5 1 000/T(K) 1 000/T(K) Figure 3.98: Conductivité du sel de lith;um de Figure 3.99: Conductivité du sel de potassium de l'acide dibutylsulfonylL~,b."~rique. I'acide dibutylsulfonylbarbiturique.
Les figures 3.100 et 3.101 permettent de comparer la conductivité obtenue, pour une même composition à O/Li = 12/1 respectivement pour le sel de lithium et de potassium de l'acide BSBbH.
10'3 10 3 ~10 4 - ¦ 0/Li=12/1 ¦ _ 10.4 ~0/K=12/1¦ -~ ~ 01 0 ~~
~10 7 - \ \ " 10 -O o MeBbLi ~ ~ ~ ~c oMeBbK ~
o 1 o-8; ~ BuBbLi \ ~ 1 o-8 ~9 o BuSBbLi \~ \~ oBuSBbK
2, 5 3 3, 5 2, 5 3 3, 5 1 000/T(K) 1 000/T(K) Figure 3.100: Con,f,ar.. ison de la conductivité de Figure 3.101: Co""~ar~i.,on de la conductivité des sels de lithium de divers acides barbituriques. sels de po'~sc~ 7 de divers acides barbituriques.

~1 94127 -La conductivité des sels de li~hillm, lorsque l'électrolyte est dans un état fondu, évolue suivant:
BuBbLi < MeBbLi < BuSBbLi La m~illellre conductivité du dérivé sulfoné peut probablement s'expliquer par une moindre basicité
de l'anion, le groupement sulfonyle dispersant part~ ment la charge anionique par effet inductif suivant le réseau de liaison ~, plus çfflc~cemellt que le carbonyle de l'acide dibutylbalbilu~ique, et permet ainsi de gagner approximativement un facteur deux en conductivité. Par contre, il est intéressant de noter que le sel de lithium de l'acide diméthylbarbiturique est plus conducteur que son homologue dibutylé, mais dans ce cas, la possibilité d'un transport véhiculaire du lithium rend difficile la colllpal;lison des valeurs de con-lu-;livi~s.

Pour s'affranchir de ce problème, il est plus judicieux de comparer la conductivité des sels de potassium. La force des acides diméthyl et dibutylbarbiturique devant être relativement proche, l'augment~tion spectaculaire de la conductivité de plus d'un ordre de grandeur est essentiellement à
attribuer à l'effet pl~ctifi~nt des segments butyles.

Une étude plus dét~illée de cette famille de sels présellt~l~it un intérêt tout à la fois théorique, et pratique. La facilité de modifier la structure des anions, et le pKa dans le DMSO de l'acide barbiturique, que l'on peut estimer proche de 5, permet d'envisager d'effectuer une corrélation entre les données susceptibles d'être déterrninées dans le DMSO, tant au niveau de l'acidité que des propriétés complexantes, et les propriétés thermiques et de conduction en milieu poly(oxyde d'éthylène) de ces anions. Cette approche, nécessit~nt un vaste travail au niveau expérimental, devrait perrnettre d'apporter des inforrnations intéress~ntes sur les relations entre la structure des anions et les propriétés des sels en dérivants en milieu polymère solvatant, tel le POE.

D'un point de vue pratique, il serait intéressant de chercher à optimiser la conductivité des sels dérivants de ces anions, tout d'abord en étu~ nt l'influence de la longueur des segments aL~yle, et en particulier propyle et éthyle, les groupements butyle ne représent~nt probablement pas l'optimum en ce sens. Il est ég~lement envisageable d'introduire des foncdons réactives telles des allyles ou des vinyles qui permettraient de greffer ou d'homopolymériser ces sels .

D'autre part, pour le groul)elllent aL~cyle présçnt~nt l'opdmum de conducdvité, il serait n~cess~ire d'étudier l'influçnce de la suhstitution du proton labile par un groupement électroattracteur, tel un groupement trifluoroacétyle ou cyano, et plus pardculièrement par un groupement trifluoro-méth~nesulfonyle. L'on peut ainsi s'attendre à obtenir des anions présent~nt des conductivités intéress~ntes, et dont les propriétés tensio-actives pourrait avoir un effet bénéfique sur le fonctionn~ment des b~t~,ries, et en pardculier sur la mic~s~ ulc; du lithillm, suite à sa dissoludon et redéposidon au cours des cycles de charge/décharge de la batterie.

lI 3-34 Perspec~ves:

La chimie des composés hétérocycliques permet d'envisager la synthèse d'anions dont la conductivité est proche de celle obtenue avec le sel de lithinm de la bis(trifluorom~th~ne-sulfonylimide). Étant donné la richesse de cette chimie, il est probable qu'il existe au moins un CG~.rOS~ de cet~e famille d'anions qui ~ ....et~. ~it d'obtenir à la fois des conduclivilés appréciables en milieu poly(o~cyde d'éthylène), une st~bilité éleel.ochiluique s~lffic~ntP~ pour gal~ltir une durée de vie impol ~ te des batteries les intégrants et d'un prix de revient modéré, ce dernier point n'étant pas à négliger puisque le sel de lithium de la bis(trifluorométhanesulfonylimide) représente une fraction non négligeable du coût calculé des b~tteries à électrolytes polymères.
Si l'on se restreint aux générateurs primaires, le coût est encore un élément plus détermin~nt, et un anion comme le dicyanotriazole, de par la conductivité de son sel de lithium en milieu POE, et de sa facilité de fabrication et de purification, sera cert~inPmPnt d'un grand intérêt, tant aussi bien pour les ~n~r~tellrs primaires utili.c~nt des électrolytes liquides que des électrolytes polymères. De plus, le sel de lithium du dicyanotriazole n'est pas hygroscopique, contrairement au LiTFSI, ce paramètre est à prendre en con~idé~tion dans le cadre d'un processus industriel.

L'utilisation du dicyanotriazole dans un générateur rechargeable pose le problème de la stabilité à
long terme des fonctions nitriles vis à vis d'une électrode de lithium, ce qui reste à démontrer.
Cepend~nt, il serait envisageable d'utiliser l'équivalent perfluorométhylé de cet anion, dont l'on peut espérer effectuer la synthèse par action d'un azoture sur l'hexafluorobutyne, sous produit de la fabrication du PTFE, et ce telle que l'illustre la figure ci-dessous:
F3C~CF3 CF3--C----C--CF3 + NaN3 ~ N~ ~N N a De plus, la synthèse du dérivé perfluorométhylé en 1-3 est connue, et l'on peut même envisager de l'obtenir par une voie plus simple que celle décrit dans la littérature, en additionnant le trifluoroacétyl hydrazide sur le trifluoroacétonitrile, puis en déshydratant ce produit à l'aide de P2Os. Le trifluoroacétonitrile étant un précurseur relativement simple à fabriquer par déshydratation de la trifluoroacét~mide ISolVaYI, qui peut être obtenue simplement par la ~listill~tion ~éotropique dans le toluène du m~l~n~e d'une solution aqueuse d'ammoniaque et d'acide trifluoroacétique.

CF3CN + CF3--ICI r'~ N~ CF3--C N--N C--CF3 2 5 ~ F3C~ ~CF3 O H ~ NH2 H
De plus, les résultats pru...~lle~ sur les halogénul~s du dicyanoimid~7ole, l~issçnt entrevoir un intérêt potentiel pour la synthèse des halogénules du bis(trifluorométhyl)pyrazole, et en particulier du chloro-bis(trifluorométhyl)pyrazole (Cf figure ci-dessous), qui présente l'avantage de ne pas ~194127 cor~tenir de ~ ,pe ~-Pnts nitriles~ dans l'é~ lit~, de leur ~&~Livilé vis d'une électrode de lithinm La conductivité du sel de lithium de cet anion devrait, à priori, être du même ordre de grandeur que celle obtenue avec le sel de lithium du chloro dicy~noimi~7ol~

F3C~CF3 ~ F3C~CF3 K+ a Pour finir, signalons les opportunités de synthèse offertes par la trifluorométhanes~llfin~te qui est un agent s-lffic~mment nucléophile 1~ 1 pour envisager sa réaction sur les dérivés diazotés des amino azoles, ce qui permettrait de synthéticer les dérivés trifluorométh~neslllfonés décrit sur la figure ci-dessous:
N~,~CN
CF3SO2~ g~
N CN

CF~Br + KZ5204 ~ CFzSCzK ~) ~ CF350 ~rN\
N~
L'intérêt pour ce composé est motivé par sa synthèse qui ne passe pas par une voie de fluorinatioh électrochimique coûteuse, mais par la réduction chimique du Freon 13Bl~, produit de la grande chimie organique, par le dithionite de sodium.

II-3-3-5 Conclusion sur les sels cycliques:

La présente étude prouve l'intérêt des anions hétérocyliques dans le domaine des électrolytes polymères. Celui-ci est motivé à la fois par les résultats obtenus en ét~ nt la conductivité des sels de lithium de ces anions dans le poly(oxyde d'éthylène), par la grande richesse de la chimie utilisée pour la synthèse de ces anions, perrnett~nt ainsi d'envisager l'élaboration d'autres dérivés. Cette chimie devrait trouver, dans le futur, une place importante dans le domaine des batteries à
électrolytes polymères, et néccssiL~ d'étendre l'étude de la chimie de ces anions, mais aussi d'optimiser la synthèse de ceux qui présenteront les meilleures performances dans les batteries.

Dans le cas particulier de la famille des acides barbituriques, la facilité de modifier l'hydrophobicité
et la force de ces acides laisse entrevoir des applications intéress~ntes dans le domaine particulier de la catalyse à transfert de phase. Une telle app~ ation~ même si elle dépasse le cadre des présents travaux, ~ .;Le.~l cependant qu'il y soit consacré une étude complète des propriétés de ces acides.

_ II-3-4 Conclusion sur les sels alcalins:

La chimie des anions permettant d'obtenir des sels de métal ~lc~linc dissociés dans les milieux aprotiques liquides ou polymères a fin~lPment peu évolué ces vingt dernières années. Hormis l'introduction de l'anion du bis(trifluorométhanesulfonimide) une dizaine d'années auparavant, qui est en passe de devenir une référence dans le dom~inP- des b~tter~es au lithinm, la majorité des travaux a porté sur les anions de coordination fluorés ou sur les perfluorosulphonates.

En fait, l'es~oentiel de ces travaux se sont focalisés sur la .echelche d'anions dérivant d'acides très fort, mais relativement au donn~-es d'acidité en milieu aqueux, ainsi l'acide triflique est considéré
comme un superacide dans l'eau avec un pKa de l'ordre de -10. Cepend~nt, alors qu'il est préférable pour obtenir un acide très fort dans l'eau d'utiliser des anions dont la charge est portée par une base dure, telle l'oxygène des sulphonates, bien au contraire, l'obtention d'acides forts en milieu aprotique nécessite d'utiliser des anions dont la charge est portée par un centre mou délocalisé
pennP,tt:~nt de diminu~r au maximum la densité de charge dans le volume de cet anion.

Ainsi, l'on a pu estimer que l'acide de la bis(trifluorom~th~nesulfo~imide) présente un pKa inférieur de huit ordres de grandeur en passant de l'eau au DMSO. Partant de cette constation, il est plus judicieux de s'intéresser uniquement à la chimie des bases déloc~licées. Les concepts issus de la chimie organique sont en parfait accord avec les résultats obtenues en s'intéressant à la conductivté
des sels de lithium dérivants de ces anions dans le poly(oxyde d'éthylène).

Cette étude a permis d'élargir le domaine de la chimie de ces anions, d'une part à des molécules relativement simples, comme par exemple les anions dérivants du malononitrile ou de la cyanamide, et surtout à la chimie des hétérocyles qui offre de nombreuses opportunités de sysnthèse, et dont l'application au domaine des batteries au lithium à électrolytes polymères sera cert linemPllt fructueux dans les années à venir.

En marge des problèmes d'applications ce ces matériaux, il apparaît que les concepts issus de la chimie organique sont d'un grand intérêt pour les milieux polymères, et il est probable que des travaux conjoints sur l'acidité en milieu aprotique liquide des différents anions étu~ s, relativement à leurs propriétés de conduction en milieu polymère, ainsi que l'établissement de leur diagramme de phase, permettront d~e~nrichir les conn~ic~s~nces propres au dom~ine particulier de la physico-chimie des électrolytes polymères.

.
II-4 CONCLUSION SUR LES ÉLECTROLYTES:

L'étude des électrolytes polymères est m~int~n~nt initiée depuis une qllin7~ine d'années, et des travaux de plus en plus nombreux leurs sont consacrés.

Le but de la présente étude a été, aussi bien pour les électrolytes à cor ~uction protonique, que les électrolytes à conduction par les sels de métal alcalin, d'effectuer une recherche prospective permett~nt d'envisager de nouvelles voies de synthèse de ces matériaux.

Il en résulte que la chimie organique offre encore de nombreuses opp~llunités pour améliorer les propriétés de ces m~téri~ tant du point de vue appliqué, que ce soit au domaine des b~tt~ries à
électrolytes polymères que des vitrages électrochromes par exemple, que d'un point de vue plus fond~m-ont~l, en montrant l'importance des concepts issus de la chimie organique dans le domaine des matériaux pour l'électrochimie des solide. On peut d'ailleurs attribuer le peu de renouvellement des concepts constaté parfois dans ce domaine au manque d'interactions entre le monde de l'électrochimie et celui propre à la chimie organique.

~ 21941~7 Bibliographie:

[Abdul-Ghani] Abdul-Ghani, M.; Tipping, A. E. J. Fluorine. Chem. 1990, 48, 149-152.
[Al11]
[Alloin1] Alloin, F. Thèse de l'Université de Genoble, INPG, (1993).
[Alloin2] Alloin, F. J. C/~,~t~ hei,L Soc. 1994, 141, 1915-1920.
[Angell] Publi Nature [Apen] Apen, P. G.; Rasmussen, P. G. llJter~rcles 1989, 29,1325-1329.
[Armand1] Armand, M. B.; Chabay"o, J. M.; Duclot, M. Fast lon Tidns~ll in Solids(P. VashRa, J.N. Mundy, G.K. Shenoy Eds.), Elsevier-North Holland New-York 131 (1979).
[Armand2] Singapour [Armand3] Armand, M. r~ly,,~e~S à Conduction lonique, 8ème stage pédagogique du GFP, ~o~ri~lss électriques despolymères, 7-9 septembre 1992, Dijon, édité par le GFP.
[Armand4] Armand, M. SolidState lonics, 1994, 69, 309-319.
[Armand5] Arrnand, M.; Sanchez, J. Y.; Gauthier, M.; Choquette, Y. Electrochemistry of Novel Materials (P. Ross, J. Lipkowski Eds.), VCH pu' ' he,~ New-York 1993.
[Armand61Arrnand, M. P~ erElectrolyte ncvi~"~ 1 p1-22.
[Bertier]
[Biel~ ~, n] Biel~ ~ ,en, G. cie~,tlu~ rn. Acta 1992, 37,1471-1478.
[Bordwell1] Bordwell, F. G.; Branca, J. C.; Hughes, D. L.; O'..,:,~ead, W. N. J. Org. Chem. 1980, 45, 3305.
[Bo,d-~_112] Bordwell, F. G.; l lar.~lson, J. A., Jr.; Zhang, X. J. Org. Chem. 1991, 56, 4448.
[Bordwell3] Bordwell, F. G.; McCallum, R. J.; Olrnstead W. N. J. Org. Chem. 1984, 49, 1424-1427.
[Bordwell31 Bordwell, F. G.; Branca, J. C.; Hughes, D. L.; Ol.,.:,~ead, W. N. J. Org. Chem. 1980, 45, 3305.
[Bo-~w."l1] Bordwell, F. G.; l lan~lson, J. A., Jr.; Satish, A. V. J. Org. Chem.1989, 54, 3101.
[Bordwell5] Bordwell, F. G.; Zhang, X. M.; Filler, R. J. Org. Chem.1993, 58, 6067.
[Bordwell6] Bordwell, F. G. Acc. Chem. Res. 1988, 21, 456-463.
[Bordwell7] BGrdwell, F. G.; Fried, H. E. J. Org. Chem.1991, 56, 4218-4223.
~Baril1] Baril, D. Thèse de l'UniversRé de Genoble, INPG,1993.
[Baril2] Baril, D. J. Cle~,l,~he".. Soc.
[Baril3] Rapport inteme Hydro-nuPhec [Begland] Begland, R. W.; Hartter, D. R.; Jones, F. N.; Sam, D. J.; Sheppard, W. A.; Webster, O. W.;
Weigert, F. J. J. Org. Chem.1974, 39, 2341-2350.
[Beh)ger] Gbh.)ger, A; Gauthier, M.; Robitaille, M.; ~8" ~ l~al'e, R. Second Inte",dtional Symposium on r~",~, a~-bulytes (B. Scrosati Ed.) Elsevier Applied Science London & New-York 347-381 (1990).

[Belcher] Belcher, R.; Sykes, A., Tatlow, J. C. J. Chem. Soc. 1954, 4159-4161.
[Benrabah] Benrabah, D.; Baril, D.; Sanchez, J. Y.; Armand, M.; Gard, G. G.
J. Chem. Soc. Faraday Trans. 1993, 89, 355-359.
[Booth] Booth, C.; N-~' olas, C. V.; Wilson, D. J. r~"~er~ u~tc n "i ..
(J.R. MacCallum, C.A. Vincent Eds.), Elsevier London 229-254 (1989).
[Boyd1] Boyd, R. H. J. Phys. Chem.1963, 67, 737.

; .
lBoyd2] Boyd, R. H. J. Phys. Chem. 1961, 66,1834.
[C~cdeleclc] 6redel~.k, H.; Scl"~ker, G.; Oehler, E. Ann. Chem. 1956, 600, 81-108.
lBrownl] Brown, H. C.; Cheng, M. T.; Parcell, L. J.; Pilipovich, D. J. Org. Chem. 1961, 26, 4407-4409.
[Brown2] Brown, H. C.; Ming, T. C. J. Org. Chem. 1962, 27, 3240-3243.
[Catalàn] Catalàn, J.; Abboud, J. L. M.; Elguero, J. Adv. Heterocycl. Chem. 1987, 41,187-274.
[ChdbdyllO] Chabdy-,o, J. M. Thèse de run;~r ~t de G~n L', INPG, 1980.
[Chdml~c,:,] Chall~tcr~, W. J.; Coffman, D. D. J. Org. Chem. 1961, 26, 4410-4412.
[Charbouillot] Thèse de l'Université de ylen~ ?~ INPG,1988.
[Cherkaoui] Cherkaoui, F. Thèse de l'Université de Grenoble, INPG, 1982.
[C~ ': .,Lan] Chemistry of Solid State ~ idlj 2, Proton Conductors, (P. C~'c ~ILrdl), Ed.), Ca..lLIkJge U-,i~ r~ity Press, CarlL.idge,1992.
[Cookson1] Cookson, R. C.; Hudec, J.; Whitear, B. Proc. Chem. Soc. 1961,117-118.
[C~J ~k ~n2] Cx!- ~n, R. C.; EricJli~h, K. R. J. Chem. Soc. (C) 1966,1641-1644.
[Defendinil Defendini, F. Thèse de l'Université de Gr~r,Ab'~, INPG, 1987.
[De Zea Bermudez1 l De Zea Bermudez, V. Thèse de l'Université de Grenoble,1992.
[De Zea Bermudez2] De Zea Bermudez, V.; Sanchez, J. Y. SolidState lonics 1993, 61, 203-212.
[Dippell Dippel, Th.; Kreuer, K. D.; I ~ssèglles, J. C.; Rodriguez, D. Solid State lonics 1993, 61, 41-46.
[Dominey] Dominey, L. A. 7th l~ r"~ional Meeting on Lithium Batteries, May 15-20,1994.
[Elguero] Elguero, J. & ALII J. Org. Chem. 1991, 56, 3942-3947.
[Fialkoff] Fialkoff, J. A. Bull. Soc. Chim. 1927, 41,1209-1217.
[Fi."legan] Finnegan, W. G.; Henry, R. A.; I ~ ct, R. J. Am. Soc. 1956, 80, 3908.
[Fisher] Fisher, A.; Leary, G. J.; Topson, R. D.; Vanghan, J. J. Chem. Soc., B. 1966, 786.
[Foropou'~,s' Foropoulos, J., Jr.; DesMarteau, D. D. Inorg. Chem. 1984, 23, 3720.
[Friede.i.;l,] rriedericl1, W. U.S. Patent 2,710,297 (1955).
[Gauthier1] Gauthier, M.; B~langc,, A.; Kapfer, B.; Vassort, G.; Armand, M.
F~ly."er Cl~tlulytes ncvie~ ~ -11 (J.R. MacCallum, C.A. Vincent Eds.), Elsevier London 285 (1989).
[Gauthier2~ Gauthier, M.; Fauteux, D.; Vassort, G.; Béhnge~, A.; Duval, M.; Ricoux, P.; Chabagno, J. M.;
Muller, D.; Rigaud, P.; Armand, M. B.; Deroo, D. J. Ele-;tl~he"-. Soc. 1985, 132, 1333.
[Gunwald] Gunwald, E.; Price, E. J. Am. Soc. 1964, 86, 4517-4525.
[Gutmann1]Gutmann,V. TheDonnor-Accep~orApproachtoA1~'e ~ lnteractions Ed. Plenum Publ. Corp. New-York (1978).
[Gutmann2] Gutmann, V. Ele~,t ~himica Acta 1976, 21, 661-670.

Gutmann3] Gutrnann, V.; Mayer, U. A1~n~t~h. Chem. 1968, 99,1383.
Gi,Lhi .~ Trochimowski] Giszkiewicz-Trochimowski, E. Rocz. Chem. 1921, 1, 468-478;
Chem. Abstr. 1923, 17,1424-1425.
[Hadzi] Hadzi, D. J. Mol. Struct. 1988, 177,1.
[Hd~lcl] Hartzler, H. D. J. Am. Chem. Soc. 1964, 86, 2174.
[l lernJ~i~,l~on] I lend~i~,l~on, J. B.; Giga, A.; Warting, J. J. Am. Chem. Soc. 1974, 96, 2275-2276.
[Hinkel] Hinkel, L. E.; n;~;hdlJ~ G. O.; Thomas, O. J. Chem. Soc. 1937,1432-1437.
[Jap1]

[JOSeYI JOSQY, A. D.; D:_ki-,son, C. L.; Dewhirst, K. C.; McKusik, B. C. J. Org. Chem. 1967, 32, 1941.
[Keml] Kem, J. M. Thèse Université Louis Pasteur, Strasbourg, 1976, N~ d'ordre Archives CNRS AO 12.508.
[Kern2] Kem, J. M. Te~rahedron 1978, 34, 661.
[Klemann] Klemann, L. P.; N_.l...an, G. H.; Whitney, T. A.; Stogyn, E. L.; Farcasiu, D.
Meeting of the Cl.~trv- hemical Society October 5-10 (1980), Cf. Extended ~hstPrtc n~ 47.
IKoppel] Koppel, I. A.; Taft, R. W.; Anvia, F.; Zhu, S. -Z.; Hu, L. ~.; Sung, K. -S.; Desmarteau, D. D.;
y,A,91~ ''L'i;, L. M.; yA~(IrOIS~ Y. L; Ignat'ev, N. V.; Kondatrenl. ~, N. V.; V~'!c nskii, A. Y.; Vlasov, V. M.;
Notario, R.; Maria, P. -C. J. Am. Chem. Soc. 1994, 116 3047-3057.
[Koshar] Koshar, R. J.; Mitsch, R. A. J. Or9. Chem. 1973, 3fl 3358-3363.
[Kreuerl Kreuer, K. D. J. Mol. Struct. 1988, 177, 265.
[Lagan] Laganis, E. D.; Lemal, D. M. J. Am. Chem. Soc. 1980, 102, 6634-6636.
[I Acse~ es1] 1 A~;segues. J. C. in C ': I,l an lLe Goff] Le Goff, E.; Lacount, R. B. J. Org. Chem. 1964, 29, 423-427.
[Linert] Linert, W.; Jameson, R. F.; Taha, A. J. Chem. Dalton Trans. 1993, 3181-3186.
[Lopyrev] Lopyrev, V. A.; nacl.",~laulina, T. N. Zh. Obsh. Khim. 1983, 53,1684.
[Malarski] Mabrski, Z.; Sobczyk, L. J. Mol. Struct. 1988, 177, 339.
[March] March, J. ~Advanced Organic Chemistry~, 3rd ed.; Wiley-lntel ~ ~nce, 1985.
[Maskill] Maskill, H. ~The Physical Basis of Organic Chemistry~; Oxford science publications. (A compléter) [Mayer] Mayer, U.; Gutmann, V.; Gerger, W. ~1ohdt~ll. Chem. 1975, 106,1235.
[Middleton] Middleton, W. J.; Metzger, D. J. Org. Chem. 1970, 35, 3985-3987.
[N .. . ~an]
[Norris] Norris, W. P. J. Or9. Chem. 1962, 27, 3248-3251.
[Ohtsuka1] Ohtsuka, Y. Synthesis 1984, 1057-1058.
[Ohtsuka2] Ohtsuka, Y. J. Org. Chem. 1976, 41 629~33.
[Ohtsuka3] Ohtsuka, Y. J. Org. Chem. 1976, 41, 713-714.
[Oliveri M-, ' ' ] Oliveri-Mandalà E.; rAY~I~c~uA. T. Gazz. Chim. Ital., 41, Il, 430-435.
[Paprott] Paprott, G.; Seppelt, K. J. Am. Chem. Soc. 1984, 106, 4060-4061.
[Pearson1~ Pearson, R. G. Advances in linear free-energy relat;onships Ed. Cha~,"~nn & Shorter Plenum Press New-York (1972).
[r~-~on2] Pearson, R. G. J. Chem. Edu. 1968, 45, 581-587.
[Pea,~r3] Pearson, R. G.; Dilbn, R. L. J. Am. Chem. Soc. 1953, 75, 2439.
[Picotl Picot, A.; Genouillet, P. L'actualité Chimique, Avril 1986, 41.
[P&- .:,;.J. on] Pc .~;~- on, C. Publi ILL

[Ravet] Ravet, N. These de l'Uni\re.~ité de Grenoble, INPG, 1994.
[Ripoche] Ripoche, X. ECSEle~tru tuv,, 1~1 ~' ll [Robitaille] Robitaille, C. D.; Fauteux, D. J. Ele~ t~u he",. Soc. 1986, 133, 315-325.
[Rou~seAu] Rousse~Au, F. Thèse de l'Université de Grenoble, INPG, 1990.
[Shuklal Shukla, J. P.; Tandon, S. G. J. Cl~buanaL Chem. 1972, 35, 423-427.
[S ~.~t~,.] S !vestcr, M. J. Aldrichimica Acta 1991, N~2, 31-38.

21 941 2~

lSmith] Smith, W. T., Jr; Steinle, E. C., Jr. J. Am. Soc. 1953, 75, 1292-1294.
[Solvay] Doc~",~nt~lion technique Solvay: Specialty Fluorine product.
[Sb~ .] Sb_ih ~ie3er, A., Jr.; Heathcock, C. H. Introduction a la Chimie O~y~n~ e (Traduit par B. Coste, B. Daniel, Y. Dugenet), Edition Marketing, Paris,1986.
[Sylla] Sylla, S.; Sanchez, J. Y.; Armand, M. J. Electrochim. Acta 1992, 37, 1699-1701.
[Tst.dhed~un] T~hdheJI~,n Lett. 1979, 3643.
[Tipping] Tipping, A. E. & al J. Org. Chem. 1994, 59,1Qq~-1046.
[Trinquet] Trinquet, O. Thèse de l'Université de Bordeaux, 1990.
IVallée1] Vallée, A.; Besner, S.; Prud'homme, J. Electrochim. Acta 1992, 37,1579-1583.
[Vallee2] Vallée, A. Thèse de l'Université de Mcnl,~al, 1994.
[Volkonsky] Volkonsky, A. Yu.; Rokhlin, E. M. J. Fluorine Chem. 1984, 26,183.
[W~b~ l1] Ciganek, W.; Linn, W.J.; Webster, O. W. PATAT
ler2]
[WeL~er3] Webster, O. W. J. Am. Chem. Soc. 1966, 88, 3046-3050.
[\~ ,lel4] Webster, O. W. J. Org, Chem. 1967, 32, 39-42.
[Webster5] Webster, O. W. J. Am. Chem. Soc. 1966, 8fl 4055.
[Webster6] Webster, O. W. Adv. Heterocycl. Chem. 1987, 41,1-40.
[Weis] Weis, C. D. J. Org. Chem. 1962, 27, 3695.
[Wiley] Wiley, D. W.; Webster, O. W.; Blan~:l,ard, E. P. J. Org. Chem. 1976, 41, 1889-1895.
[Wao~ d] Woo~:~ d, D. W. U.S. Patent 2, 534, 331 (1950), Chem. Abstr. 1951, 45, 5191.
[3M] Docl.,.,~nt~lion techn ,.e 3M: FluoradLithium Trffluvr.,i"~ll,anesulfonimide Battery Ele~ tlolytc HQ- 115.

2t94127 Chapitre II:
Les polymères à conduction mixte II-1 INTRODUCTION:

D'une façon générale, on peut définir un polymère à conduction mixte comme un matériau macromoléculaire permett~nt le transport à la fois des électrons et des ions, dans un système électrochimique quelconque. Nous prenons cette définition au sens large aussi bien au niveau mac~ascopique que microscopique. Cette définition peut regrouper diverses approches en termes de m~t~ri~l~x, et conduire à dirÇé-ci-ltes fonctionn~lit~s en électrochimie, et plus particulièrement dans le domaine des batteries à électrolytes polymères. Nous décrivons succinctement, ci-dessous, les dirréi~e~tes a~ es ~-n~quelles nous nous sommss i~ ssés.

Une première possibilité pour obtenir un polymère à con~luction mixte est de m~l~nger un électrolyte polymère avec une charge de microparticules d'un conducteur électronique, tels des grains de carbone. Dans ce cadre, nous nous sommes intéressés aux possibilités de greffer à la surface de matériau carboné des segments de polymères solvatants, ou des anions dissociés, afin de localiser au niveau microscopique les deux modes de conduction.

D'autre part, la synthèse de polymères comportant à la fois des segments solvatants et des fonctions électroactives permet d'aboutir à des polymères solvatants à propriétés rédox, que nous d~nommerons plus simplement par polymères solvatants rédox. La conducdon ionique étant assurée par les segments solvatants, et la conductivité électronique via le, ou les couples rédox internes. Le confinement des fonctions électroactives dans une portion de l'espace, induit par la nature macromoléculaires des mi~erii~-lx permet, en particulier, de les utiliser en vue de réaliser des sources d'énergie de fortes pUics~nces ainsi que nous le verrons plus loin (II-3-5).

Enfin, les molécules à propriétés rédox dissoutes dans un électrolyte polymère, si elles sont capables de di~ser rapidement dans un tel milieu, permettent de transporter les électrons au sein d'un système électrochimique lorsque le potentiel appliqué au système dépasse un potentiel seuil (Es). En ce sens, ces matériaux se comportent comme un électrolyte polymère lorsque E < Es~ et com ne un polymère à conduction mixte lorsque E > Es~ et peuvent être potentiellement utilisés comme protecteur de surcharge dans les batteries a électrolytes polymères.

114 f3-II-2 LES CARBONES GREFFÉS:

II-2-1 Introduction:

Il est d'usage courant dans le domaine des piles (alcalines, salines, .) et batteries, d'introduire dans la c~thode du ca.bolle, afin de favoriser les echangP,s électroniques entre le mat~riau électroactif et le coll~Pcte~lr de courant. En régle générale, on utilise pour ce faire un noir de carbone préparé par décomposition thPrmique de l'acétylène (en particulier le "noir de Shawinigan"). La cathode composite des batteries au lithium à électrolytes polymères est ainsi constituée du mélange d'un maté-ri~ll d'insertion (TiS2, V2Os, MnO2,...), de noir de carbone, et d'un électrolyte polymère, comme l'illustre la figure 2.1, ce dernier permp~ttant à la fois le transport ionique et servant é~alPmPnt de liant à l'électrode.

~ O Matériau d'insertion e ~ ~ ~Li ~ Graindecarbone _r ~ ~_ ~!511~;5~ . E~lectrolytepolymère Figure 2.1: Desc,i~,lion schématique de la cathode composite d'une batterie à électrolyte polymère.
Il est ég~lement possible de considérer que la cathode est con~titllée par le mélange d'un polymère à
condllction mixte (électrolyte polymère/carbone) avec le matériau d'insertion. La réaction d'insertion implique de faire rentrer dans la structure un cation qui vient se placer dans les sites vacants du matériau (entre les feuilletc~ dans le cas particulier de ceux à structure bitlimencionnelle comme le disulfure de titane), la charge du cation étant compensée par l'introduction concomit:lnte d'un électron qui est délocalisé sur les sites électroniques disponibles (en général les orbitales "d" du métal de transition de la structure hôte). Le rôle du polymère à conduction mixte est donc de perrnettre le transport simultané des ions et des électrons à la surface du matériau d'insertion. Dès lors, le transport des ions s'effectuant en phase homogène au niveau moléculaire dans l'électrolyte, il semble raisonnable de chercher à transporter aussi les électrons également de la façon la plus homogène possible entre le collecteur de courant et la surface du m~t~ri~n d'insertion.

En ce sens, le noir de Shawinigan présente l'inconvénient de s'organiser sous forme de châînes (chapelets) qui constituent ainsi un réseau tri~limPnsionnelle de grains de carbone permettant le transport des élec~ons. Cette structuration des grains de carbone permet d'obtenir des composites présP-n~n~ une bonne conductivité électrique globale. Par contre, il en résulte une inhomogénéité au 21 94t27 , niveau micloscopique qui t~imin~e d'autant l'uniformité de la distribution des électrons à la surface du m~teri~U d'insertion. De plus, la structuration des grains de carbone en un réseau tri~im~nsionnel induit, en régle générale, une rhéologie difficile à contrôler allant jusqu'à des comportements "~lil~t~ntc" ainsi que de la porosité dans la c~thode composite, ~ nt d'autant sa densité d'énergie volumique. Dans ce cas, la tortuosité du trajet des ions est elle aussi p~n~lic~nte en termes de cinétique.

Aussi, il nous a semblé intéressant de greffer à la surface de grains de carbone des segments d'un polymère solvatant, le greffage d'un polymère à la surface d'une particule pçrmett~nt de modifier son interaction avec une m~trice polymère. Ainsi, pour des particules de silice greffées avec des châînes hydrocarbonées [Donnet21, l'énergie de surface (Ys) de la particule greffée, caractérisant son potentiel d'inter~ction physique avec l'environnement, tend progressivement vers celle du polyéthylène pur au fur et à mesure que le taux de greffage s'accroît. Le greffage de 300 mg de segments polyéthylène par gramme de silice est sllffic~nt pour obtenir ce résultat, illustrant par la même l'effet produit par une faible mo~ific~tion de la surface de la particule. Cette approche doit permettre de rendre la surface du carbone compatible avec l'électrolyte polymère, facilitant sa dispersion dans la matrice, et ce afin d'obtenir une microdispersion de carbone dans la cathode composite. Une telle microdispersion devrait aboutir à une distribution homogène des grains de carbone, dont l'on peut espérer un effet bénéfique sur les performances des cathodes lors d'un appel de pllisC~nce important; une moindre porosité de la composite peut aussi être attendue. Vu sous cette angle, le problème qui se pose est proche de celui des m~t~ri~nx composites de structure. En effet, il est reconnu ~PaPirer1l que l'obtention d'un matériau de haute performance passe par l'élaboration d'un composite homogène, favorisant une dispersion optimale des sollicitations mécaniques exercées entre la matrice polymère et la charge servant de renfort Lors d'un appel de puics~nce important, il faut ég~lement considérer qu'il se crée, dans l'électrolyte polymère composant la c~thode, des gradients de concentr~tions en sel dûs à la mobilité prédc-min~nt~
des anions, entrâînant par la même une diminution de la performance de la cathode. S'il s'avérait possible de greffer un sel à la surface du carbone, cela permettrait de bénéficier des avantages attendus de l'utilisation d'anions fixes pour limiter l'effet pén~lis~nt de ces gradients de concentrations.

II-2-2 Grerr~,e de polymères:

II-2-2-1 modifications de la surface du carbone:

En règle générale, la composition chimique en surface d'un solide diffère de sa composition massique, ceci rés..lt~nt d'un environn~ment différent des atomes de la surface qui représente une diccontin-lité de la matière. Dans le cas particulier du carbone, son état de surface est un paramètre important pour de nombreuses applications, en effet, il définit l'int~ ce entre le m~t~ri~l carboné et le milieu el-vi~n~ Par e~mrle~ dans les composites carbone/polymère, la nature de la surface du carbone modifie considérablement l'~dhésion de la fibre avec le polymère, et par la même les pro~ lés ~ ues de la composite IHushes]. De nombreux travaux portent donc sur les poscihilit~s de modifier cette surface IE ~' l, par exemple, le contrôle de son acido-basicité permet de rendre un carbone dont la surface est rendue acide, compatible avec une m~tri~e basique [SChlUtZl. Les poscibilit~s de telles mor1ifir~til n~ de surface cl~pend~nt en grande partie de la sl.u.;lu~e du m~teri~
carboné envisagé.

En effet, les matériaux carbonés s'obti~nnent génér~le-m~nt par pyrolyse de précurseurs organiques tels des hydroc~l~ures, ou des composés aromatiques par exemple. D'une façon simplifiée, la elul~; des matériaux carbonés obtenus dépend en partie de la température à laquelle s'effectue la pyrolyse, les faibles températures (aS500-1000~C) conduisent à des matériaux très désorg~nicés, tandis que les hautes températures (> 2500~C) permettent de synth~ti~pr des matériaux très crict~llinc à ~lluelule graphitique. Or, dans le graphite, les atomes de carbone hybridés sp2 sont chimiquement inertes, et seuls les atomes incomplètemPnt liés placés au bord des plans du graphite, ou situés sur des défauts de structure, sont susceptibles de réagir chimiquçm~nt Par contre, les m~téri~lls carbonés désorg~nic~s, du fait de leurs nombreux défauts de surface, présentent une multitude de points d'attaques aux agents chimiques permettant de modifier leurs s~lrface~c, et ce par différents procédés.

Il est ainsi possible d'introduire à la surface du carbone des fonctions chimiques simples, celles-ci permettant par la suite d'initier les réactions de la chimie organique qui leurs sont propres.
L'oxydation du carbone est le procédé le plus utilisé pour ce faire, celle-ci peut s'effectuer, par exemple, en phase gazeuse (air, oxygène, ozone, vapeur d'eau,...), en phase liquide (acide nitrique, hypochlorite, acide sulfurique,...), ou par voie électrolytique. Parrnis tous ces procédés, l'oxydation en phase g~7Pu~e est la plus utilisée pour les carbones obtenus sous forme pulvérulente, l'oxydation par voie électrochimique étant d'un grand intérêt pour les fibres de carbone (sous forrne de tissus, feutres, ou fils), de par la possibilité d'utiliser des procédés en continus.

Nous donnons dans le tableau 2.1, à titre d'exemple, les caractéristiques physico-chimiques de deux de ces carboneslT5Ub0kawa~l~ le FW200 (Degussa) et le NeospectraII (Columbian Carbon) ;airs de cette classe de m~t~
Tableau 2.1 Car~rK~ ues physico-chimiques de deux ca.L,ones oxydés, d'après [Tsl~ 1. ;.'L 1].
Surface BET Groupements de surface (meq/gr) Carbone Type (m2/gr) pH COOH OH C=O
FW 200 Channela 4S0 2 0,61 0,1 1,42 Neospectra ll Fumaceb 906 3 0,4 0,24 0,92 a: obtenu par ~,).uly;,e dans une flamme b: obtenu par pyrolyse dans un four Des carbones oxydés de ce type sont disponibles auprès de divers fabricants; un débouché important en étant l'-ltili.c~Non comme pigment pour les imprim~nt~q~s à jet d'encre à haut débit [Degussa].

Cette oxydation se traduit en premier lieu par une ~ugmPnt~tion de la surface spécifique du carbone, concomitante à l'introduction de fonctions oxygénées à la surface, une partie des plans de carbone p~ t une sllu~iluu~ d~solgal~isée étant oxydés en dioxyde de carbone (on parle alors de carbone activé [Donnet3]) Dans ces con~litiorlc~ les p.ill~ipales fonctionc introduites à la surface du carbone sont des carboxyles, des hydroxyles, des carbonyles. Comme l'illustre le tableau 2.2, les fonctions carbonyles peuvent app~ lenil à différents grollpçmPnt.c présents sur le carbone comme des quinones ou des l~ onF~ par P~emplr Tableau 22 F~i,..;;~aux gro~ ",t:"t~ chimiques pr~s~rit~ à la surface de matériaux carbonés.
R,OH
ACIDE ~ ~ ~H ~S03H
Acide ~cide Acide Ca.Lu>~jl;,)e Pl,os~.hor,,~eS~ n',:e ~,OH ~,NH2 ~1 [~

Alcool Arnine PyridineAzote Pyrrolique X
HALOGENURE ~ X= Cl, Br Il '-3'ne CAR90NYLES ~}

Anhydride LactonePyrone Quinone Ce même tableau décrit les principaux groupements qu'il est possible de créer à la surface de matériaux carbonés. Nous ne préciserons pas les diverses conditions permett~nt d'aboutir à ceux-ci, le lecteur plus particulièrement intéressé pouvant se It;pGller aux donnPPs de la lil~l~lulc pour ce faire ;c" ~sl. Comme nous pouvons le constater, les possibilités de fon~til~rln~liQ~ti~)n de la surface du calbone sont QllffiQ~mmPnt variées pour envisager d'initier de nombreuses ré~rtionc chimiques à
partir de sa s~l~ce Pour finir, notons que la conce~ ion de ces dirréfell~s gfou~e~PntQ à la surface du carbone vade typi4ut;lllenl entre Ql et S meq par ~r~mme de carbone.

2t 9~1 ~7 . .
II-2-2-2 Greffage de polymères:

Le greffage de châînes macromoléculaires à la surface du carbone peut s'effectuer par couplage d'un prépolymère portant une fonction l~aclive vis à vis de sa surface, ou par une polym~ris~tion initiée à
partir de cette surface que ce soit par voie anionique, c~tioniq~let ou r~ir~l~ire.

a) CQ-~PI~ge d'un prépo;yJ~I~re In~l~sons-nous en premier lieu aux études portant sur le couplage d'un prépolymère avec la surface du carbone, dans la plupart de ces travaux ce couplage s'effectue via les fonctions hydroxyles et carboxyles p~ésentes sur des carbones oxydés comme le FW 200 ou le Neospectra II. Aussi, par souci de simplification, nous sommes nous limités exclusivement à ces deux possibilités. Ce greffage peut s'errecluer dilec~ nt à partir des fonctions pl~sen~es sur le carbone, par exemple, en est~rifi~nt les gro~ ents carboxyliques avec des alcanols [Pa~l, ou par réaction de poly(propylène glycol) terminés par un isocyanate (PPG-NCO) avec les fonctions hydroxyles et carboxyles [TsuL~ .2].
Cependant, dans la plupart des cas, les groupemçntc présents à la surface du carbone subissent un tr~itemçnt chimique modifiant leurs fonctionnalités et réactivités, les figures 2.2 et 2.3 résum~nt différentes possibilités pour ce faire. Ainsi, il est possible de modifier les fonctions hydroxyles et carboxyles en isocyanates en les traitant avec le toluène diisocyanate [Ts~' ~], ou en époxydes par réaction avec l'épichlorhydrine [T~' 31. Concern~nt spécifiquement les acides carboxyliques, il est possible de les modifier en chlorure d'acide par action du chlorure de thionyle [Ts~ 1. Le chlorure d'acide peut lui-même être transformé en azoture d'acide par traitement avec l'azoture de sodium, cette fonction se réor~ni~nt sous l'action de la chaleur en isocyanate [T~' 51.
NCO

~0 SOCIz (~
,, (~COOH- -(1 ) SOCI7 (~CON3 ~ (~NCO

~a~7a ~o-~al~ ~d Figure 2.2: Chimie des gro~e,.,en~ carboxyles pr~se.lt~ a la surface du carbone.

21 94~7 ~o OCN ~CH~

(~OH c~2a ~ ~ (~O-CH2~
Flgure 2.3: Chimie des gro~e,.,ent~ hydroxyles pl~s~ht~ à 18 surface du carbone.
Toutes ces fonctions sont susceptibles de réagir avec des nucléophiles, et en particulier avec des polymères ter nin~s par des g~oup~ nts aminés ou hydlo~ylés, comme l'illustre la figure 2.4, pçnn~tt~nt ainsi d'obtenir des carbones greffés avec différents polymères tels le polyéthylène glycol (PEG), le polypropylène glycol (PPG), le polyb~lt~di~-ne glycol (PBG), l'alcool polyvinylique (PVA), la polyéthylène imine (PEI), le silicone diol (SDO), le .cilirone. ~ min~ . (SDA).

2~ ~2--P~) n V~ v~

Figure 2.4: Greffage de polymeres nucle~p~ s (Fl = -N, NH, ou OH) à la sufface de carbones réactifs. .

Le paramètre ~,ssentiel caractérisant ces carbones est le taux de greffage en polymère définit comme le rapport de la masse de polymère greffé relativement à la masse de carbone, aussi avons-nous regroupé dans le tableau 2.3, les taux de greffages obtenus pour diverses conditions expérimcn~les Tableau 2.3 Taux de greffage de polymères obtenus à la surface de carbones fonctionr-' -és Fonction réactive Polymère Masse du Taux de sur le carJone greffé polymère greffage Référence COO~ C~8-OH 269 7,4% [PapireR]
COOH/OH PPG-NCO 2000 82,2% ~rsubokawa2]
PPG 2000 11,2%
PEG 8200 1 8,5%
PBG 1000 27,2%
COCI PVA 66000 41,6% [Tsubokawa4]
S DO 5600 20,4%
SDA 3000 40,7%
PEI 20000 45,8%
PPG 2000 21,9%
CON3 PEG 6000 29,7% ~subokawa5]
PVA 66000 43,4%

1. .
PPG 2000 19,5%
SDO 1000 23,6%
SDO 1800 26,3%
Epoxide S DO 3200 30,0% [Tsubokawa3]
SDO 5600 32,2%
PEI 1800 55,6%
SDA 1700 59,5%
SDA 3900 67,2%
Intéressons-nous plus particulièrement aux résultats obtenus par greffage de polymères sur un carbone (Neos~ecll~ II) portant 0,4 meq/gr de groupeme-nt~ époxydes ITq:L - 31. Comme le montre ceux-ci, le taux de greffage de silicone diol croît avec la masse du polymère, inversemPnt le nombre de moles de ch~înes greffées par gramme de carbone, symbolysé par G, décroît avec cette même masse. Il est probable qu'au fur et à mesure que des segments polymères se greffent sur le carbone, d'une part les fonctions réactives à la surface sont masquées, et que d'autre part le polymère doivent se frayer un chemin entre les chaînes déjà greffées pour réagir avec un groupen.cnt de sllrf~re, or, ce dépl~cement par reptation est d'autant plus lent que la longueur des chaînes s'accroît. Le nombre de chaînes g.~,Lr~s est ainsi relier à la masse mol~c~ ire (M) du silicone diol par:
G=K Ma, avec K=0,0468 et a=-0,77 Il est in~lcssant de constater la simili~ude de cette ~quation avec la loi de Mark-Houwink-Sakurada qui décrit la viscosité intrinsé~ue d'un polymère donné en fonction de sa masse par:
~1~] = K Ma D'autre part, il apparaît que pour une longueur de châîne équivalente, le taux de greffage avec les polymères aminés est supérieur à celui obtenu avec des polymères hydroxylés, et passe ainsi z 25 à
60% pour des chaînes d'une masse ~ 2000. Ce résultat est en accord avec le moindre pouvoir nucléophile des alcools relativement aux amines.
Grâce au greffage de polymère, l'on peut obtenir des suspensions colloidales de carbone dans les solvants organiques relativement stables dans le temps. Ainsi, pour le Neospectra II greffé avec du silicone ~i~mine et dispersé dans du THF, 55% du carbone greffé avec 59% de polymère sé~iment~
après 100 heures, et se-llrment 20% avec le carbone greffé par 67% de polymère après le même laps de temps, alors que le c~l,one non goeffé sédim~ntf entièrement en quelques heures.

Nous allons m~inten~nt nous i~-lé-Gssei aux possibilités de modifier la surface du carbone grâce à une polyTn~ric~tion par voie anionique, ca~ionique, ou r~ r~l~iTe initiée à partir de cette surface.

b) Greffage par polymérisaffon anionique:

Considérons le cas d'un greffage via une polymérisation par voie anionique initiée à partir des groupements présents à la surface d'un carbone oxydé, du même type que ceux exposés précé~emmen~ Dans un premier temps, la figure 2.5 illustre les modifications spécifiques aux Up~ t.c carboxyles. Même si il est possible d'initier des polym~-ri.c~tions anioniques d~e~ n par l'acide carboxylique, cette fonction est activée en la transformant en son sel de métal alcalin ~
tr~itemP,nt par une base forte dans l'eau [T~ ~I D'autre part, il est possible d'obtenir le ~, d'ammonium de l'acide carboxylique par traitement de l'acide par un hydrox~, d'ammonium IT- -~~]. La transforrn~tion de l'acide carboxylique en une amine basique a ~t~
effectllée de diverses façons, à partir du chlorure d'acide par réaction d'un composé ~i~mine, ~j partir de l'isocyanate de l'acide carboxylique, soit par son hydrolyse, ou par réaction avec ".
cc...~ difonrtionnp~l portant une amine primaire, ou secon~1~ire~ et une amine primaire, second~
ou tertiaire IT~bok~

MOH ~ (~)--COO M+ M = U, Na, K, Cs, Rb (~COOH R4NOH ~ @~coo N~R4 O H
SOC12 ~ (~ H2N(cH2)2NH2 (~C--N--(CH2)2--NH2 (~NCO H20 ~ (~NH

R~ CH3 ou H C IN--ICI--,N--(CH2)2NR~
Figure 2.5: Chimie des groupements carboxyliques permettant d'initier des polymérisations radicalai. -D'autre part, le tr~it~P.mP,nt de carbone oxydé par le butyllithium permet de transformer l'ensembl~fonctions oxygénées (carboxyles, hydroxyles, quinones) en alcoolate de liLhium [Tsuboka wa12l, cor::-l'illustre la figure 2.6, on peut accéder ainsi à des carbones portant de nombreuses fonctions réac .-:
(~ 2 meq/gr) à leurs surfaces.

(~COOH (~ U

(~OH + BuLi ~ ( ~OLi Il Bu~,OU
~D (~D
O Bu OU
Figure 2.6: Effet du 13utyllithium sur les gro~en,enls oxygénés.
Le butyllithinm permet ég~lpmpnt de rendre ~ ive la surface de carbone non oxydé contenam .-peu de g~up~.-. . .P.nt.C oxygénés en surface (< 0,01 meq/gr), et particulièrement celle du graphite.
m~Ct~lli.c~tion des grol~ np~tc aromatiques émergeant à la surface du carbone, comme l'illus~ ~
figure 2.7 [Tsubokawa13 14l , . .

(~ BuLi ~ (~Lj Figure 2.7: Métallisation des cycles aromatiques par le butyllithium.

Tous ces grou~. ..~l~ts permettpnt de modifier la surface du carbone, en initiant par voie anionique, soit la polyméricqtion par OU~ lUI~; de cycle de monom~res cycliques, ou la polym~.ri.c~tion de mon~m~res vinyliques.

Conce-rn~nt la polym~-ri.~tion par ou~,~"lun de cycle, le greffage de polyesters est obtenu par la polymérisation de la ~-propiolactone initiée par les sels alcalins [T~ 71 et d'ammoniums quaternaires ITg_L~ 101 d'acides carboxyliques, ou par la copolymérisation, initiée par les sels alcalins d'acides carboxyliques, entre un anhydride, et respectivement, un époxyde lT~ 1, OU un carbonate d'alkylène IT~ubokawa8l. D'autre part, la polymérisation du y-méthyl L-glutamate N-carboxyanhydride initiée par un carbone portant des fonctions ~min~es permet de greffer un polypeptide à sa surface ITsubokawa1 ~I. L'on peut ainsi obtenir des taux de greffages compris entre 30 et 150% à la surface du carbone.

Si l'on s'intéresse m~inte.~nt aux monomères vinyliques, les alcoolates de lithium sont capables d'initier directement la polymérisation de l'acrylamide [Tsubokawa121, de l'acrylonitrile [T5' ' ' _121, et des méth~crylates [T5~' ' 12~14l. Par contre, la polymérisation de ~-méthylstyrène ITsubokawa12l~ ou du styrène ITsubokawa12~14l ne peut s~effectuer qu'en activant l'alcoolate de lithium par un éther-couronne.
D'autre part, les groupements phényls lithiés peuvent initier la polymérisation du méthacrylate de méthyle et du styrène [T- '' ' _13-14l, directement dans des solvants formant des çh~ tes avec le lithillm, telles la tétraméthyléthylènedi~mine ('I~EDA) ou l~eY~méthylphosphore tri~mi~e (HMPT), ou en conjonction avec un éther-couronne dans le toluène. Des taux de greffages à la surface de carbone compris entre 50 et 250% sont obtenus dans ces conditions.

c) Greffage par polymérisation caffonique:

Les acides carboxyliques p-~sents à la surface de carbone sont capables d'initier la polyrn~ris~t1on par voie cationique de dirrélents monomères, et parmis ceux-ci du N-vinylcarbazole lBiswas1-2,Tsubokawa16-171, de la N-vinylpyrrolidone IT l6-181, de la 2-méthyl-2-oxazoline [~ 181, de spiro ortho esters, de bicyclo ortho esters, et de spiro orthocarbonate [T~ 191. Dans tous ces cas, la polym~ric~tion est initiée par l'attaque du proton acide de l'acide carboxylique sur le monomère, l'anion carboxylate servant par la suite de contre-ion durant la réaction de propagation, le greffage s'çffect~l~nt au final par neutr~lis~tion de la charge cationique par l'anion carboxylate, ceci équivalent à une réaction de It;....;l-~isol-.
Il est ég~l~m~nt possible de transformer les acides carboxyliques en électrophile, en traitant leurchlorure d'acide par un halogènure de métal tel le chlorure ferrique (FeCl3) [TsuLu~ ~~1, O
U le perchlorate d'argent (AgCl04) [TslJL~ .. -11, la synthèse du perchlorate d'acylium étant plus particulièrement décrite par la figure 2.8.
SOCI2 @~ AgCI04 (~CO~CIO4 Figure 2.8: Chimie du carbone per".~lt~nl d'initier des polyméri~tions par voie cationique.
L'on peut ainsi initier à partir de la surface du carbone la polymérisation par cationique du styrène [Tsubokawa21,Ohkita1], de lactones [Tsubokawa21-221 , du THF [T8ubokawa20-221, de formals cycliques ITe~ ]. Il est ég~l~ment possible de greffer des copolymères par la copolyméri~tion par ouverture de cycle du THF et d'un anhydride cyclique [Tsubokawa23~, d'un oxépane, et respectivement, d'un anhydride cyclique ou d'épichlorohydrinelTSubokawa22l. Le greffage de terpolymère s'obtient par la polymérisation par ouverture de cycle du THF, d'un anhydride cyclique, et d'épichlorohydrine ITs~ 1. Des taux de greffage typiquement compris entre 40 et 100% sont ainsi obtenus par polym~ris~tion par anionique.
d) Gref~age par pol~ ation radicalaire:

Même si la surface du carbone posséde des radicaux, leur stabilisation par les polycycles aromatiques limite leur réactivité, élimin~nt par la même, la possibilité d'initier des polymérisations par voie radicalaire. Pour ce faire, il est nécess~ire d'introduire à la surface du carbone des initiateu~s radicalaires telles des groupements azo ITsubokawa24-25l~ ou des peroxyesters [Tsubokawa261, telle que l'illustre succint~m~ont la figure 2.9.

(~CCOH

(~OH @~ ~wNt~R' f~H - . ~ (~C--O--O--tBu R=COCI, NCO. ' 8 ou époxyde.
~0 Figure 2.9: Introduction d'initiateur de poly",éri~ti~n radicalaire à la sufface du carbone.
Ainsi les pelo~ els permettent d'initier la polyméri.c~tion à partir de la surface du carbone de différents monomères vinyliques telles le méthacrylate de méthyl, l'acrylate de méthyl, l~acrylonitril~ [Tb ~6l. Les gloupem~nts azo permett~nt pour leur part d'initier la polym~.ri.~tion de nombreux monomères vinyliques telles la N-vinylpyrrolidone, la 4-vinylpyridine, le 2-hydroxyéthyl méthacrylate, le méth~crylate de glycidyl, la méthyl vinyl cétone ITSJL ' ~41, le - ~1 941 27 . .
styrène, l'acétate de vinyl, le m~tharrylate de méthyl, l'acide acrylique, l'acrylonitrile lT~ ~4-251, Le taux de greffage obtenu dans ces différentes cQn~itionc varie entre 20 et 90%.

e) Greffage de Jeffamine:

Comme nous venons de le voir, les pos~ibilités de greffer des polymères à la surface de carbone sont nombreuses et variées, tant du point de vue du m~tkri~ll carboné (carbone oxydé, gr~phit~, ) que de la nature des polymères. Ceppn~l~nt~ le greffage via une réacdon de polym~ris~tion inidée à partir de la surface du carbone n~ss;lellt de mettre au point les cont~itionC opératoires afin d'optimiser le taux de greffage. En effet, comme dans toute réacdon de polymérisadon, la nature de l'inidateur, la polarité du solvant, la ~ e du monomère modifie drasd~lut;lllelll le cours de la polym~nc~tion, de plus, il existe une compéddon entre la polymérisadon inidée à partir de la surface du carbone, et la polymérisation s'effectuant en solution.

Pour notre part, le but est avant tout d'obtenir un carbone greffé par un polymère solvatant, afin de valider le concept de la modification de la surface des grains de carbone dans la cathode composite des batteries à électrolytes polymères. Dans cette optique, nous avons choisi la voie de synthèse qui nous semblait la plus aisée à mettre en oeuvre, et plus précisément de greffer via une réaction d'amidification, des segments de poly(oxyde d'éthylène) monoaminés à partir des acides carboxyliques présent à la surface d'un carbone oxydé, comme l'illustre la figure 2.10.

+ H2~CH2--CH2--o3~CH3 - H20 ~ (~C~cH2--CH2--OtnCH3 Figurc 2.10: Greffage de polymère sur un carbone par a",.~ ;on des acides pr~senl~ a sa sufface.
Pour ce faire, nous avons utilisé des segments de POE mono~minés produits par la société Texaco sous le nom de kffamine~, et comme carbone oxydé le FW 200 fabriqué par la société Degussa. Ce choix est motivé par le fait que le FW 200 est le carbone oxydé, disponible commercialement, possé~nt le plus de fonctions acides en surface (~0,61 meq/gr), d'autre part, l'on trouve dans le catalogue Texaco des segments de POE monoaminés d'une masse molaire respective de 1000 (Jeff~mine M-1000) et 2000 (Jçffamine M-2000). En supposant que l'on puisse greffer l'ensemble des acides par des segm~nts POE, il est envisageable d'atteindre des taux de greffage respectivement de l'ordre de 60 et 120%.

La formation d'une liaison amide entre le carbone et la Jeff~min~ impliquant d'enlever une molécule d'eau, son ~limin~tion au fur et à mesure de l'av~ncçm.ont de la réaction favorise celle-ci. Aussi, le premier mode de synthèse que nous avons envisagé pour effectuer cette réaction a été de chanff~r sous vide à une température z 160-180~C, un mélange de Jeffamine M-2000 et de carbone. Afin d'obtenir une pâte relativement homogène avant tr~itPmçnt~ le carbone est mélangé dans l'acétate d'éthyle avec le double de la quantité stoechiométrique de Jçff~mine relativement à la quantité

présumée d'acide carboxylique présents à la surface du carbone. Après chqllffage sous vide pendant z 24 heures à une température de 180~C, le produit obtenu est nettoyé dans l'éther, puis centrifugé, et ce afin d~éliminer l'excès de J~rra~ e, ce lavage est répétée à plns;eurs reprises. La même opération est ensuite répétée deux fois en ~ltilisqnt un m~lqnge 4/1 en volume d'éther et d'acétate d'éthyle, afin de garantir une compléte élimimination de la Jeff~mine non greffée. Le carbone est ensuite séché
pendant - 24 heures à 60~C sous vide.

Le greffage de J~ffqmine M-1000 ou M-2000 à la surface du carbone peut ég,qlemçnt s'çffçctller par la ~iistill~q~tion a2éo~l0pique d'un mélange de carbone et de Jeffamine (50% en excès) dans le toluène.
Après ~ 24 heures de réaction, le toluène est évaporé, puis le carbone lavé à l'éther, récupéré par filtration, cette opération étant répétée à plllsieurs reprises. Le lavage se poursuit ensuite dans un m~lqnge équivolumique d'éther et d'acétate d'éthyle, et ce à plnc;eurs reprises. Le carbone est ensuite séché pendant ~ 24 heures à 60~C sous vide. n est intéressallt de noter la différence d'aspect visuel entre le call~ne greffé avec la J~ffamine M-1000 et M-2000. Le premier ~,ésenLe un teint mat, alors que le second est d'un aspect brillant, ce qui indique que ce dernier carbone est entièrement enrobé
par le polymère, cette di~tinctiQn étant une donnée courante dans le domaine des peintures.

La microanalyse des différents carbones considérés est donnée dans le tableau 2.4, les résultats théoriques sont calculés en supposant que le carbone contient 0,61 meq/gr de groupements carboxyliques, et à partir des masses exactes des Jeffamines déterminées par titrage acido-basique, lespe~ /e.l,ellt de 1116 et 2219 gr.
Tableau 2.4 Résultats de la ,.,-~ uanalyse des carbones greffés.
Carbone %C %H %O % N
FW 200 95,98 0,4 2,01 FW200/J-2000 (Azéotropie) 71,83 4,47 21,83 1,54 FW200/J-2000 (théorique) 73,4 5,5 19,5 0,4 FW200/J-2000 (160~C sous vide) 73,1 4,9 22,3 1,48 FW200/J-1000 (Az~otl~r ~) 74,19 4,37 20,05 1,38 FW200/J-I000 (théorique) 79,2 3,9 15,3 0,5 Le résultat pour le carbone greffé par de la Jeffamine M-2000, obtenu par azéotropie ou par déshydratation sous vide, est en concordance avec le calcul théorique. Par contre, pour le carbone greffé avec la Jprra~ e M-1000 l'écart entre le calcul théorique et la microanalyse montre qu'il reste à
la surface du carbone une quantité importante de Jeff~qmine non greffée. Même si la Jeffamine M-1000 est soluble dans le m~lqnge 4/1 éther/acétate d'éthyle, ce solvant n'est probablemçnt pas sllffi~ nt solvatant pour élimin~r la Jeffamine adsorbée à la surface du carbone, il convient donc d'qugmçnter la quantité d'acétate d'éthyle pour laver le carbone greffé avec la Jçffamine M-1000. Le call,one greffé avec de la Jçffqmine M-2000 ne l-~ver~ant pas une membr~ne de dialyse, ce procédé
devrait permettre de nettoyer pqrfaitçmçnt les carbones greffées, étant donné la solubilité de la Jeffamine M-1000 ou M-2000 dans l'eau.

2194i27 , La figure 2.11 présente les résult~ts de l'analyse par calorimétrie différentielle à balayage (Cf Annexe), du carbone greffé, ainsi que celle de la JPrr;~ e libre en référence. Comme nous pouvons le const~,r, la température de fusion de la Jeff~mine greffée est proche de celle de la JeffAmine libre, même si le résultat pour le calbooe greffé avec la J~rr~ ED-1000 doivent être tempéré au regard de la microanalyse effectuée sur cet échAntillol- Il peut sembler surprenant d'observer une telle difr~.e.~e de ~ e de fusion entre la J~rr~";..~ M-1000 et M-2000, ce fait s'explique ~ic~mtont puisque la JPrr~ o M-2000 contient ~ 30% en poids de motifs PPO qui amorphise le polymère, la J~-rr~--;--e M-1000 n'en contenAnt ~ 17% rrexacol.

Figure de la DSC du carbone greffé ~ de la Jeffamine L'obtention de deux pastilles de carbone greffé avec la JçffAmine M-2000 par compaction sous une pression de 10 tonnes permet d'estimer la densité du mAt~riau à 1,24 et 1,26, soit une valeur moyenne de 1,25. Cette densité est cohérente avec celle de 1,36 c~lc~ e en supposant que l'on greffe 0,61 mmoles de JçffAmine M-2000 (densité ~ 1,1) à la surface du FW 200 (densité - 2), soit avec un taux de greffage de 135%. Suivant ces hypothèses, l'on peut en déduire que la pastille de carbone compaçt~, pl~nte une porosi~ r~,siduelle ~ 9%, ce qui est somme toute une valeur assez faible. Il est possible de dé~ ..i n~r la résistivité électronique du carbone greffé compacté en mesurant la réCictAnce de cette pastille à l'aide d'un ohmmètre analogique, l'on aboutit ainsi à une conductivité
2.10-2 Ohm~l.cm~l, soit une conductivité de 50 Ohm.cm, ce qui est comparable à la conductivité
observée pour de nombreuses fibres de carbone par exemple ~E~ nl~l, Ce matériau composite coll~,sl,olld en fait à une fraction volumique de 29% de FW 200 dans la matrice de polymère greffé.

Le carbone greffé avec la Jeffamine M-2000 se disperse dans l'eau et la plupart des solvants organiques polaires, pour donner une suspension homogène stable de carbone. Ces dispersions fournissent une preuve du greffage de la JeffAmine par une liaison amide. En effet, il est égal~mPnt possible d'obtenir une dispersion stable de FW 200 non greffé en ajoutant de la Jeff~mine qui forme une liaison ionique avec les acides de la surface. Cep~n~nt, contrairement au carbone greffé via une liaison amide, lorsque l'on protone les carboxylates en ajoutant un acide à la solution~ le carbone sé~limente en grande partie immédi~t~mpnt Malgré la plésel~ce de polymère à la surface du carbone, une faible Agit~tion m~c~nique est l~ce-ssAire pour dicperser le matériau, et ce afin de désenchev~ r les chaînes de polymère qui l~ n~.~t les grains les uns aux autres. De plus, un film de POE 300000 col.l, ~AI~ 40% en volume de ce carbone, obtenu par épandage d'une solution de POE et de carbone dans l' ~ étonit~ ile, plésellte un aspect visuel particulièrement homogène. Un bonne inrlicateur de la qualité de la ~isper~sion du c~l,one dans le polymère est la conSel ~alion de cette homogénéité lorsque l'on t;rr~;l~Je une traction du film, ce fait traduit la co~p ~I;bilit~ des grains avec la matrice polymère.

-Si l'on suppose qu'il est ainsi possible de disperser ~icérnpnt les grains de carbone, il est possible d'admettre qu'il est envisageable d'obtenir une composite dans laquelle les particules sont ul~ifo~ P.nt réparties. L'on peut estimer la ~lict~nce séparant ces grains, en supposant les particules sphériques, en fonction de la fraction volumique de carbone, dans l'hypothèse d'une l~p~lition dans l'espace donn~R. Dans le cas présent, il est calculé cette ~i~t~nce (dCC) pour une taille de grain donnée (dc), soit dans l'hypothèse d'un plaçem~ment des grains selon une structure cubique centrée, d'après l'équation 1, ou cubique face centrée, d'après l'équation 2, et ce en fonction du rapport volumique de calbone au polymère (~). On remonte à la fraction volumique (~) de carbone dans la composite à
partir de l'équation 3.

Structure cubique centr~e: (~ ) Équation 1 Structurecubiquefacecentrée: (~ 2 Fraction volumique de carbone: ~ Équation 3 La dic~nce séparant deux grains est calculée sur la figure 2.12, pour une structure cubique centrée et cubique face centrée, et ce pour un diamétre de 13 nm égal à celui des particules de FW 200 [Degussa], en fonction de la fraction volumique de carbone dans une matrice polymère telle du poly(oxyde d'éthylène). Quelle que soit la lép~liLion supposée des particules, l'on aboutit à une ~list~n~c entre les grains de l'ordre de 50 A pour une fraction volumique aux alentours de 15%, représent~tive de la yua~ é de carbone entrant génér~l~m~nt dans la composition de la cathode des batteries à électrolytes polymères.

80 ~ Structure cubique centrée 8 _ \~ _ d~ 60 ~
- \ \ FW 200/J-2000 _ \ \ compacté

20- Structure ~\ ~ ' ~i - cubique face centrée ~ ~ -O I I ~ ' I ~

Fr~ction volumique de carbone (%) Figure 2.12: Distance entre les grains de carbone en fonction de la structure cristalline Cette ~ist~nce de 50 A est celle à partir de laquelle l'on peut supposer que les électrons se déplacent par effet tunnel entre les grains de carbone, sans qu'il ne soit nécess~ire que les particules soient physiqllement connectées les unes aux autres. Comme nous pouvons le constater, la fraction volumique co~ olldant au CalbGI~ greffé compacté, colles~olld à des ~lictanr~es inférieures à 20 A, ceci expliquant la faible résistivité de ce m~t~ri~l Dans les mêmes conditions, la distance qui s~pa,~.~.l des grains de noir de Shawinigan, d'un diamétre de 42,5 nm [Banl1], serait de l'ordre de 200 A. La conducl;vi~ élevée du noir de Sha~-vinigan ne s'explique donc que par la ~ n des grains de carbone suivant un réseau tri~imen~ionnel suivant lequel les électrons se déplacent dans l'électrode.

Ce méc~ni.cme de déplacement des électrons par effet tunnel est reconnu pour expliquer les conductivités obtenues avec les carbones à hautes conductivités électriques tel le Ketjenblack (Akzo) [AkZo~verhel~Nelsonl. Ce carbone présente un cas particulier du fait de sa slluclu~ ressr.mbl~nt à
celle d'un coquillage vide, telle que décrit sur la figure 2.13, qui augmente la probabilité pour que deux aggrégats él~menl ~i.es soit s~ffl.c~mment proche l'un de l'autre pour que les électrons puissent se déplacer par effet tunnel. Ainsi, il suffit de charger un film de polyéthylène par ~ 2,5% en volume de Ketjenblack pour obtenir une résistivité # 50 Ohm-l.cm-l [Akzol, identique à celle du FW 200 greffé par de la Jeffamine M-2000 à l'état compact~.
C'~
~,'_.;7 Figure 2.13: Structure d'un aggrégat de l~tjen~l~ck, d'apres tAlczo].
Ce type de carbone du fait de sa surface spécifique élevée (-1000 m2/gr) augmentl~nt rapidement la viscosité du polymère chargé rVe~elstl, ce qui risque d'induire rapidement un f~l~nçage du m~.ri~ll Par contre, il est probable qu'il existe un intérêt pour l'u~ tion conjointe de carbone greffé et de Ketjenblack dans la cathode des batteries à électrolytes polymères, le premier assurant une distribution homogène des électrons à la surface du m~-~ri~.. d'insertion, et une faible quantité du second (3 2% en volume) assurant une conductivité électrique globale élevée. Une telle composite pourrait être décrite, d'un point de vu formel, comme un réseau interpénétré de deux types de cond~,c~u~ éleclr~,~ue.

D'autre part, en terme de technologie de fabrir ~ion~ l'on peut im~iner d'obtenir une telle composite par un procédé d'extrusion, or un tel procédé de par les co..~ es m~c~ ues élevées qu'il implique e,~ îne la desiuu~;~on des aggrégats. L'extrusion est donc favorable à une dispersion optimale des 2194~27 -grains de c~bone tant aussi bien greffés que du Ketjenblack. Or, une dispersion homogène est le but ~h~.;llé pour le carbone greffé, et la condu~;livi~ du KPtjenbl~rl~ est peu ~ffçctée par le procédé de mélange [Akzol. Ces deux types de carbone sont donc complémentaires aussi bien en termes de fonctio~n~lités que du procédé de fabrication évenhlellP~ des cathodes. Cela ne serait pas le cas, si l'on iliC~it le carbone le plus employé dans le dom~in-P, des b~tteries, le noir de Shawinigan, dont la résisdvité ~lug~e~-t~ lorsque les aggrégats sont brisés sous l'effet des co,lll~ltes m~c~ni(lues ind~ es par le procédé de m~l~ngP, Ces carbones greffés n'ont actuellement pas donné lieu à des essais en batterie, mais il semble clair que le principe du greffage d'un polymère à la surface du carbone peut apporter de nettes améliorations dans le domaine particulier des b~tteries à électrolytes polymères, tant au niveau de l'anode que de la cathode.

II-2-3 Greffage de sel:

Comme nous l'avons précédemmPnt exposé, l'utilisation d'électrolytes polymères à anions greffés, et donc à transport purement cationique, permet, à priori, d'améliorer les perform~nces des b~tteries à
électrolytes polymères, et particulièrement lors d'appels de pnics~nce important. Aussi, il peut être intéressant de greffer à la surface de grains de carbone des anions dissociés, qui permettraient d'obtenir loc~lement à la fois une conductivité électronique, et une conductivité ionique unipolaire, après dispersion dans un polymère solvatant.

Le greffage de malononitrile à la surface d'un carbone portant des gro--pem~nt~s carboxyles, comme le FW 200, est une des voies, relativement simple à mettre en oeuvrè, qui devrait permettre d'aboutir à
un tel matériau. De plus, comme nous l'avons vu prérédPmm~ont, la conductivité du sel de lithium du poly(méthacrylate d'acétylmalononitrile) étant proche de 10-5 Ohm~l.cm~l à 50~C, le sel de lithium du malononitrile greffé à la surface du carbone devrait donc être au moins aussi conducteur, les noyaux aromatiques cond~nsés sur lesquels est branché l'acide étant plus attracteur qu'un groupement alkyle. D'autre part, si il peut exister un doute quant à la stabilité des anions contenants des groul~c;ll.ents nitriles vis à vis d'une électrode de lithium, le potentiel d'oxydation de l'anion du benzoyl~llalononitrile dans le DMSO - 4,5 Volts g~r~ntit la stabilité électrochimique de ce sel dans une cathode fonctionnant typiquement entre 1,5 et 3,5 Volt~s. Tout ceci justifie, dans un premier temps, le choix de greffer le malononitrile à la surface du FW 200, afin de pouvoir valider le principe de salifier la surface du carbone sur le~s performances de la cathode des batteries à électrolytes polymère~s.

La réaction permettant le greffage du malononitrile est sch~m~ticée sur la figure 2.14. Plus précisément 4 gr de FW200 (~2,44 meq d'acide carboxylique), sont traités par 0,5 cc de chlorure d'oxalyle (~ 6 meq) dans ~ 10 cc de THF à 0~C, il en résulte un dégagement de CO2 ~ i 941 27 ,- ~
pendant quelques minutes. Dans le même temps, une solution de 322 mg (~S meq) demalononitrile dans # 10 cc de THF à 0~C, est traitée par 80 mg d'hydure de lithium (~ 10 meq).
Après 30 ...h..~P~, la solution col-tPn~nt le carbone est centlirugée pour ~liminer l'excès de chlorure d'oxalyle, et l'on ajoute alors l'anion du m~lonitrilP, en solution dans le THF au carbone traité. Après 2 heures, on ajoute un peu d'eau afin d'é!iminPr le LiH qui pourrait resté dans la solution, puis le carbone est lavé plusieurs fois avec du THF. Le carbone est ensuite séché pendant ~ 24 heures sous vide à la température ambiante.

(~COOH > (~CO~ LiH/a~2(CN)2 ~ (~ICI--C~ Li Figure 2.14: Greffage d'un anion dé.'~c~ à la sufface du carbone.
Le résultat de la microanalyse effectuée sur ce carbone est donné dans le tableau 2.5, celui-ci ne concorde pas avec le calcul théorique en supposant que l'on greffe 0,61 meq de sel de lithium du malononitrile à la surface du carbone. Par contre, les sels de lithiums étant généralement hygroscopiques, si l'on admet que le cation lithium est sous forme d'un hydrate contenant 21 molécules d'eau par lithium, le calcul théorique est en bonne concordance avec le résultat de l'analyse. L'hypothèse d'une telle quantité d'eau n'est pas dénuée de sens puisque contrairement à un sel libre, les sels greffés à la surface du carbone ne peuvent pas s'organiser en cristaux, ~ugmçnt~nt ainsi leurs pouvoirs hydrophiles. L'excès de lithium peut s'expliquer par la présence de traces de LiOH adsorbés à la surface du carbone (~ 30 mg/gr).
Tableau 2.5 Résultat de nl uanalyse du carbone greffé par du rnalononitrile.
Carbone C% H% N% 0% Li%
analyse 80,26 1,8 1,88 / 1,15 théorie 97,8 0,3 / / 0,4 Li, 21 H2O 80,4 2 0,6 16,4 0,3 II-2-4 Conclusion:

Même si ces carbones greffés n'ont pas encore donné lieu à des essais en b~ttPries, il a été possible de montrer d'une part la richesse de la chimie Fennett~nt de modifier la surface de carbone, et d'autre part la po~ibilit~, de greffer de courts segments de poly(oxyde d'éthylène) à la surface d'un carbone oxydé commercial. Cette chimie peut-être étendue au greffage d'anions délocalisés qui pourraient limiter le dévelop~.llell~ des gr~iPntc de concpntration apps~ 5~iu lors de la décharge de la batterie.

Le principe de modifier la surface du carbone n'est pas limité a la c~tho~e composite, ce concept pOull~it prob~hlemPnt être étendu à l'anode par le greffage de ~oegrn~nt~ de poly(oxyde d'éthylène) à
la surface de c~l.one servant d'anode dans les bqtteri~ps~ tel des grains de glaphile, pour les b~tterips d~-no~ ~s "rocking chair", dans lequel il joue le rôle d'une électrode à insertion.
.

~1 94i 27 II-3 LES POLYMERES SOLVATANTS REDOX:

II-3-1 Introduction:

Un polymère solvatant rédox est un matériau qui contient à la fois des segments d'un polymère solvatant, tel le poly(oxyde d'éthylène), capable de l.~ o,ler les ions, et une fonction électroactive perrnettant le transport des électrons. L ~ m~c~ni.cmc de depl~cPment des électrons peut s'effectuer par sauts successifs entre une fonction électroactive dans un état oxydé et une fonction dans un état d'oxydation inférieure, parmis ces matériaux, citons les copolymères peignes ou séquencés de la phénothi~7ine [;: :, du f~l,ocène [W ~ ' 3~r ~1, ou du méthylviologène la'an91 avec des segments poly(oxyde d'éthylène). Les électrons peu~el~t eg~l~ment se déplacer par un méc~nisme de transport coop~ if, et ceci spéci~l~-m~nt dans le cas des polyimides formés par con-lPnc~tion de segments de poly(oxyde d'éthylène) ~ min~s avec des dianhydrides de molécules aromatiques, au sein d'une bande de conduction résultant du recouvrement des orbitales 7~ des fonctions aromatiques lBanl1 2].
Comme il sera précisé par la suite, ces m~tkri~llx font appels à la notion dlempilpmentc moléculaires pour expliquer leur plupliété de con~iuction électronique.

L'on peut distinguer les fonctions électroactives par différents critères électrochimiques, comme par exemple, le nombre d'électrons échangés par fonction, le potentiel du ou des couples rédox, la cinétique d'échange électronique. Mais du point de vue de la chimie, le pararnètre essentiel est la nature de la charge pr~sente sur la fonction électroactive.

POLYMERE
REDOX
CA~ONIQUE ~+ X

Me Me Me M+ ~ M+
O=C~N~C_O -O--C~=O O--C ~=O
~; REDOX

f~C~N~O r~C~N~o ~C~N~O;

Figure 2.15: Exeilr ~es de poiy",eles a conduction mixte an ~n:,ue et c~lioni~ue.

~ 1 94~ 27 ,......... .
Ainsi que l'illustre la figure 2.15, le méthylviologène, par exemple, existe soit sous forme neutre ou c~tioni~lue~ dépendant de son état d'oxydation-réduction. Il en est de même pour le ferrocène ou la phénothi~7ine, aussi, les polymères rédox les intégrants dans leurs structures seront classés dans la famille des polymères rédox c~tioniqlle~

InvP~r~men~, les polymères comportants des diimides de noyaux aromatiques électroactifs, tel le diimide du bç~ e (Cf figure 2.15), du narht~lPnP., ou du pérylène, étant soit sous forme neutre ou anionique, ils seront considérés par la suite comme des polymères rédox anionique.

La chimie des batteries au lithium est une chimie basique, en effet, les traces d'eau présentes dans l'électrolyte, les extrémités de châînes des copolymères de poly(oxyde d'éthylène), ou certains catalyseurs de polym~ri.cation dor-nPnt des bases fortes par réaction avec le lithium, comme par exemple de l'hydroxyde de lithium. Dès lors, les polymères rédox cationique risque de subir une attaque nucléophile par les bases présentes dans un tel milieu, limit~nt par la même la durée de vie de ces matériaux. Au contraire, les amines liquides, dont l'ammoniaque liquide, sont des solvants de choix pour l'étude des propriétés électrochimiques des hydrocarbures à caractères aromatiques 1~ . En effet, le très faible pouvoir électlophile des amines permet d'observer dans ces solvants la réduction réversible de molécules aromatiques, tel le pérylène par exemple. Les polymères rédox anionique sont donc, à priori, compatibles avec la chimie propre aux batteries au lithium, en particulier à électrolytes polymères, comme il sera tenter de le prouver par la suite.

II-3-2 Les polymères rédox cationique:

Malgré le doute quant à la stabilité à long terme des polymères rédox cationique en milieu basique, il est tout de même intéressant de chercher à étendre cette famille de polymères, les applications poten~ielles de ces matériaux dépassant le domaine des b~tteries au lithium. Dans ce cadre, notre intérêt s'est porté sur les copolymères de la ph~n~7ine et de la 4,4'-bipyridine avec des segments solvatants.

La synthèse de la polyph~n~7ine, à notre conn~iss~nce origin~le est décrite sur la figure 2.16. La mét~ tion des azotes du cycle augmente considér~blem~nt leur pouvoir nucléophile, ainsi la ph~ a~ e traité pré~l~blt-m~nt par du sodium m~t~ ue dans le ~im~thoxyéthane permet d'obtenir, par réaction avec des halogénur~s d'alkyles, les dérivées N-alkylés de la ph~n~7ine ['' '~ ]. Pour notre part, nous avons obtenu le dérivée di-lithiés de la ph~n~7ine en cobroyant une quantité
st~:chiométrique de lithium avec de la ph~n~7ine dans le THF. Plus précicément 541 mg de ph~n~7ine (3 meq) et 42 mg de lithium (6 meq) sont pesés en boîte à gants dans un flacon étanche en polyéthylène, l'on ajoute alors ~10 cc de THF, et des rouleaux en zircone. Le THF prend rapi~emen~ une couleur mauve foncée, typique de la phén~7ine monolithiée. Le flacon, sous atmosphère d'argon, est alors mis en rotation sur lui-même, afin d'effectuer le cobroyage via les rouleaux en zircone. Après ~ 24 heures, l'on obtient en suspension dans le THF, redevenu incolore, un pléci~ilé orange de 9,10-di-Li 9,10-dihydroph~n~7in~. On ajoute alors en boîte à gants 561 mg de 1,2-bis(2-chloroéthoxy)éthane (3 meq), la réaction du composé dichloré est pratiquement immédi~te Après une heure de broyage dans le flacon, la solution est centlir~lgée, et l'on récupére ainsi la polyph~n~in~ insoluble dans le THF. Le polymère ainsi obtenu est ensuite séché pendant # 24 heures sous vide à 60~C.

co-broyage Li (-CHzOCH2CH2Clk HN N THF ~ UN~ U THF ; --N N--(CH2CH20)2--(CH2)2--Figure 2.16: Synthese de la polyphénazine.
Les azotes de la 4,4'-bipyddine sont suffic~mmPnt nucléophiles pour être quaternarisés, par exemple avec des segments de polymères di-halogénés, suivant la réaction de MenchustkinlB~Uridahl.
Malheureusem~nt il existe peu de dérivées di-halogénés du poly(oxyde d'éthylène) disponibles commerci~lement. Même si il est possible de synthétiser ces matériaux à partir de poly(éthylène glycol), nous avons préféré utilisé une autre voie de synthèse. Le poly(oxyde d'éthylène) étant coupé
par les électrophiles, en traitant du POE de haute masse par l'anhydride trifluorom~th~nesulfonique, l'on obtient des segments de POE fonctionn~licés par des trin~tes~ ce groupement étant connu pour être un excçllent groupe partant lMarChl. L'avantage d'une telle approche est de pouvoir disposer de segments fonctionn:~lisés dont la masse moyenne est déterminée uniquement par la quantité
d'anhydride utilisée, la figure 2.17 décrit sch~m:ltiquement cette synthèse. Plus précisément, on prépare une solution de 3 gr de POE 9.105 dans 20 cc de dichloroéthane anhydre, et ceci sous atmosphère d'argon. Cette solution est portée à ~-20~C par un mélange méthanoVazote liquide, puis l'on ajoute 940 mg d'anhydride trifluorométh~nesulfonique (3,33 meq) à la solution, cette stoechiométrie co.lespond à une masse moyenne de 900 pour les segments de POE fonctionn~li~s.
Après une nuit, la solution est revenue à température ambiante, et l'on peut observer une nette diminution de la viscosité de la solution. L'on ajoute alors 521 mg de 4,4'-bipyridine (3,33 meq) en solution dans 10 cc d'ac~to~ ile. Après quelques heures, le solvant est évaporé, le polymère repris dans l'acétonillile, puis ~~p-~cipité dans l'éther. Le polymère est ensuite séché pendant ~ 24 heures à
60~C sous vide.

_ ~ .~,(CF3So2)2c~Dc ~ CF3SO3~a~2a~2~02SCF3 N
M = 900 000 ~ 20~C m ~ t~r. 'r;~e -'03SCF3 CF3S03 ~2a~2~~
; Figure 2.17: Synthèse du polyv~~.'Dgène.

21 94 1 2~

L'analyse par c~lnrim~trie différentielle à balayage (Cf Annexe) du polyviologène, pour une vitesse de balayage de 10~C/min, permet de d~t~nniner une lP-~ de tr~nCition vill~use du polymère de -40~C. Par contre l'on n'observe pas de pics de fusion ou de recrist~lli.c~tion, ceci indiquant le c~,t~-~; amorphe du polyviologène [GUillaudl.

La voltampérométri~. cyclique pour deux balayages succes.cif.c de la polyphénazine sur une micfoéle~il,ude de 125 llm (cf Annexe) est donnée sur la figure 2.18. Le dépôt sur la mi~roélectrode est réalisé en trempant son extrémité dans une dispersion, obtenue dans l'acétonitrile, de polyph~.n~7.ine dans du POE 9.105, et ce à plusieurs reprises après évaporation du solvant. La microélectrode est ensuite séchée pendant # 24 heures à 100~C sous vide, et placé sur son support vis à vis d'un électrolyte de POE 5.106 contenant du LiTFSI à une concentration O/Li _ 20/1. La voltal~ ro,l.étrie est obtenue à l'aide d'un potentiostat EG&G 270 pour une vitesse de balayage de 2 mV/s entre 1,5 et 4 Volts, et ce à 80~C.

8T = 80~C v = 2 mV/s Ep ox = 3,65 VA
Sur~ o~e hvdedePt12511m E~2 = 3,2 V~

~ ip ox -8 ~~Ep red = 2,77 V ip red 1,4 1,8 2,2 2,6 3,0 3,4 3,8 4,2 E (Volts) vs. Li+/Li~
Figure 2.18: Volta",~érui"F:l,ie cyclique à 2 mV/s de la poly~,héna~i"e pour deux cycles su~cessifs.
Comme nous pouvons le constater, la vol~~ élu~llétrie cyclique de la polyph~.n~7ine, car~cté.n.cti-lue d'un système électrochimique quasi-réversible, présente deux couples rédox à 3,2 et 3,8 Volts (cette demière valeur étant confirmée par une autre e~ h~nt~tiQn)~ les réactions rédox correspondantes sont donn~,Pc sur la figure 2.19.

[~,~ E - 3,2 V ~,~ E = 3,8 V [~

Figure 2.19: Réa~,tions rédox de la phénazine.
Le polyviologène a donné lieu à un essai en batterie (Cf Annexe) suivant un régime de décharge intonciost~tirlue à une densité de courant de 30 IlA/cm2, et ce à une temp~érature de 80~C, le résultat de cette e~ .nt~tion est donné sur la figure 2.20 [Guillaud 2, 8 ~
2, 6 - ~ Polyvlologène _ 2,4 2,2- ~ -1, 8 -1,6--1 ,4 0 0,5 1 1,5 2 2,5 e par ".Dléc-~'e Figure 2.20: Déch~rye i"tensio~ti~.Je à 30 ~Vcm2 du Polyviologene.
Pour évaluer les potentiels rédox co~ ondants à ces couples, la figure 2.21 préS~ntent le résultat de la dérivée inverse du potendel en fonction du temps, l'on obtient ainsi une courbe similaire à celle obtenue par une voltampérométrie cyclique. Ainsi, comme nous pouvons le constater, le polyviologène présente deux paliers de réduction d'un potentiel moyen de 2,6 et 2,15 Volts respectivement. Ces valeurs sont en concordance avec les résultats de la littérature ~Boundahl pour le dibromo poly(decaviologène) en voltampérométrie cyclique.
~ I ~ I ~ I ~ I ~ I ~ I -~ ~ r UJ

1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4 2,6 2,8 E (Volts) vs Li +/Li ~
- - Figure 2.21: Dérivée inverse du p-,len~iel en fonction du temps (lissée).
La .echa~gcabilité de cette électrode est médiocre, d'autre part l'on ne décharge que 1,5 électrons par motif viologène au lieu de 2 en théorie, relativement aux deux couples à 2,6 et 2,15 Volts.
L'électrolyte utilisé pour cet essai ayant été uni~uelllellt placé en boîte à gants pendant quelques jours pour le sécher, après évaporadon du solvant à l'air, il est probable que celui-ci contipnnp encore des 4~ ;lés non négligeable d'eau. Dès lors, on peut supposer que l'hydroxyde de lithium généré à la surface du lithium attaque le viologène, et rende la réacdon éle~ u~ --ique irréversible.

.
II-3-2 Les polymères rédox anionique:

Le KaptonQ ou poly(4~4~-o~ydiphénylèn~p~ cllitimide) est un m~qtéri~q.~l de choix de l~in(~ustrie électronique, e~ nl;ell~om~n~ du fait de son eYc~ nt~ tenue à la te-mp~ , aux agents cl~ih~ ues, et de sa résistivité de 10l6 Q.cm. Malgré ces propriétés, lorsque le Kapton~ est plastifié par un solvant, le pyrom.qllitimide est capqhle d'accepter réversiblement deux électrons. Une fois dope, le O ~
polymère devient un semi-conducteur d'une ~N~O~
résistivité de 105 à 107 Ohm.cm IKraUse~
Récemmen~, les propriétés électrochimiflues des o O n diimides de noyaux aromatiques furent mises à FORMULEDU KAPTON
profit pour la synthèse de polymères solvatants rédox obtenus par polycondencqtion de dianhydrides aromatiques avec des segments de poly(oxyde d'éthylène) ~1iqmin~s [Baril1-2], Le travail cité porte esse-ntiell~ment sur les polyimides utilicqnt le narhtqlèn-~. et le pérylène comme noyau aromatique.

Étant donné l'intérêt potentiel des polymères rédox anionique, il existe un intérêt d'étendre cette famille de matériaux en étudiant les possibilités d'utiliser d'autres noyaux aromatiques que le nqphtql~ne ou le pérylène, et plus particulièrement le ben7~ne, la benzophénone, la pyrazine, et le dinitrobenzène [GUillaudl. Mais en premier lieu, il est apparu important d'évaluer les possibilités d'améliorer la synthèse de ces polyimides.

II-3-2-1 Synthèse:

La synthèse des polyimides peut s'effectuer par la polycon~enc~ion de composés di~min~s et de dianhydrides, comme l'illustre la figure 2.22. L'amine est suffis~mment nucléophile pour initier l'ouverture de l'anhydride, on aboutit ainsi à l'acide polyamique qui par déshydratation donne le polyimide souhaité.

O O O O H H
~ N--O ¦ 1 o + H2 N-- --NH2 ~ HOOC-- J--COOH n ~ ~ Acide pol~ e O O .
~ 2 H20 --N~N

O _n ~1~ ' ' Figure 2.22: Synthèse d'un p~iy;".._'e par condens~tion d'une diamine et d'un dianhydride.

Dans le dom~ine de l'électronique, on utilise directement une solution d'acide polyamique, déposée à
la tournette sur le substrat. Après évaporation du solvant, l'acide polyamique est cyclisé par un ;lr-~ llt thPrrnique à ~ 350~C lK~ ] ou en le traitant par une solution équivol~,lique de pyridine et d'anhydride acétique IMaZurl.

La pOly~t~ ;c ~;on du dianhydride du n~rht~lane ou du pérylène avec de la Jeff~mine ED-900 dans la DMF, sous forme d'acide polyamique dans un premier temps, puis sa cylisation par le mélange pyridine/:lcétQnitrile donne effectivement des polyimides électroactifs [Banl11 Cependant, ce procédé
présente l'inconvénient d'utiliser un solvant à haut point d'ébullition (Teb = 153~C) dont il est relativement tliffi~ile de se déb&-lasser.

Dans un premier temps, il est possible d'obtenir les polyimides par polycondensation de Jeffamine ED-900 ou ED-2000 avec respectivement le dianhydride du ben7~ne, du napht~l~ne, et du pérylène, direct.oment en cha~-ff~nt un mélange de polymère et de dianhydride sous vide à 160~C. Plus précicément les éçh~ntillons de Jeff~mine sont dans un premier temps dégazés et déshydratés, en faisant buller de l'argon sec pendant - 2 heures dans le polymère fondu porté à une température 100~C. La masse exacte des Jeff~min~ est ensuite détermin~e en dosant les amines te rnin~lP~ dans l'eau par une solution titrée d'acide chlorhydrique. Par la suite, 10 gr de Jeff~mine ED-2000 ou ED-900 et la quan~itG stoechiométrique respectivement de ben7~ne~ de napht~l~nP, ou de pérylène sont pesés dans une cellule en verre. La cellule est ensuite placée dans un four, connectée à une pompe à
vide, puis le four porté à une température de 100~C pendant 2 heures, et pendant une nuit à 160~C par la suite. On observe une nette augmellt~tion de la viscosité au cours du temps, indiquant que la polycon-lenc~tion s'effectue dans les conditions sus décrites avec le dianhydride du benzène et du napht~l~ne~ Il est intéressant de noter la similitude de cette voie de synthèse avec une extrusion à
chaud d'un mélange de Jeff~mine et de dianhydride, ce procédé pouvant très bien être une voie d'accés inrlllstrielle à ces m~téri~m~

Par contre, les deux essais avec le pérylène n'aboutissent pas à une réaction de polycondens~tion, la Jeff~mine restant à l'état liquide, de plus on observe encore nettement les grains du dianhydride du pérylène. n semble donc que la faible solubilité du pérylène empêche la Jeffamine de réagir avec l'anhydride. La polycondenc~tion du polyimide avec le dianhydride du pérylène est fin~l~mPnt obtenue en portant au reflux, sous argon, une ~luanlilG éqUimol~ire de JeffAmine ED-900 ou ED-2000 dans la DMF pend~nt ~ 24 heures. La DMF est ensuite évaporée à l'aide d'un évaporateur rotatif.
Les polyimides obtenus sont ensuite mis en solution dans l'~célon; I . ile, centrifugés pour éliminer les impuretés p~nt~s dans la solution, puis .G~rGcipités dans l'éther. Ces polymères sont ensuite séchés sous vide à 80~C pendant ~ 24 heures.

Par la suite, lors d'une nouvelle synthèse de ces m~t~ri~ c à une temperat--re de 180~C, il est apparu que les polyimides obtenus étaient insolubles dans l'acétonitrile. Vraisembl~hl~m,ont les polyimides 2~ 941 27 peuvent réticuler lorsque la temp~l~lur~ de cyclisadon est trop élevée, probablement par l'attaque des oxygènes de la Jeffamine par les acides carboxyliques, relativement acide (pKa~ 2), de l'acide polyamique. Aussi, une autre voie de synthèse par diC-tilI~tio~ azéotropique de la Jeffamine et d'un dianhydride dans le toluène a été envisagée pour la synthèse des polyimides. Les essais ont été
effectué avec le dianhydride du ben7~ne, respectivement avec la Jeff~min~q ED-900, ED-600, ou du ppO ~ min~s de masse 400. Afin de limiter le risque de réticulation, l'on ajoute à la solution quatre équiv~lcnts de triéthylamine p~r équivalent de dianhydridc. Unc fois l~ scl..~iGn de Loiuene au reflux, l'on observe une quantité d'eau, dans le doigt de condensation de l'appareil de Dean-Stark, sensiblement équivalente à la quantité stoechiométrique correspondant à la polycon~çnc~tioll, et ce après un laps de temps ~ l heures. Après une nuit au reflux, le toluène est évaporé, le polymère repris dans l'açétQnitriIe, centrifugé, ~ JleCi~ dans l'éther, et enfin sé~ché pendant ~ 24 heures à
60~C sous vide. Avec les mêmes monomères de départ, l'on obtient des polyimides solubles dans l'acétonitrile même en l'~bsence de triéthylamine, la réaction s'effectuant à une température modérée (Teb toluène = l l 1~C) qui n'est pas suffic~nte pour réticuler le matériau.

La dét~l...;..~tion, par chromatographie d'exclusion stérique (Cf Annexe), de la masse moyenne des polyimides permet de comparer l'influence de leur procédé de synthèse sur la réaction de polycon~encqtion. A cet effet, le tableau 2.6 regroupe les résultats obtenus pour les copolymères du dianhydride du benzène avec différents segments solvatants r~i~min~s ~GUillaudl. A partir de la masse moyenne en nombre, il est possible de déterminer le nombre moyen d'unités monomères composant les ch~înPs de polyimides. Excepté pour le polyimide avec la Jeffamine ED-2000, ce nombre est compris entre lS et 30 unités, ce qui est un bon résultat pour un polymère obtenu par une réaction de polycorldçnc~tion.
Tableau 2.6 Influence de la l"~t~de de synthèse des poly;,l, des sur la réaction de polycondensation.
Polymère Masse Masse Indice de Nombre Méthode diaminés en poids en nombrepolydispersité d'unités de cyclagePPO-400 9100 4600 2 15 A
J-600 21400 10300 2,1 27 A

J-900 21800 14200 1,5 20 B
J-2000 16500 9700 1,7 8 C
A: Distillation azi:vtr lue dans le toluène en preseI~e de triéthylamine.
B: Poly~;ondensation dans I'acétonitrile à 20~C, puis cy.,Ii~tWn de racide polyamique à 160~C sous vide.
C: Cyclisation à 1 60~C sous vWe.
Le faible nombre d'unités monomères avec la kff~mine ED-2000 peut s'expliquer par le procédé de synthèse. En effet, l'on ne part pas d'un mélange homogène de dianhydride aromatique et de Jçrr~.,,i,.&, ce qui ~1iminIle d'autant le ren-lem~nt de la polycûntlen~qtiorl Par contre, comme l'illustre les résult~tc avec la Jeffamine ED-900, l'on obtient un polymère sencibleme-nt équivalent aussi bien par (li~till~ n azéotropique, que par cyclisation à chaud de l'acide polyamique, obtenu auparavant en solution dans l'a~ ~tQ~ihiIe n apparâît donc que la synthèse par azéotropie ou par cyclisation à chaud des polyimides permet d'obtenir des masses moyennes comprises entre 10000 et 20000, ce qui est s~lffls~nt pour une applir~fion dans le~s b~tt~ries à électrolytes polymères. En effet, le polyirnide est dans ce cas chargé
avec des grains de carbone et de matériau d'insertion qui servent de renfort au polymère. De plus, il est peu probable que les polyimides de basse masse puissent diffuser dans l'électrolyte à base de poly(o~cyde d'éthylène), des poly~ ,s de nature chimique dirr~.~ente étant en général inr~o~patibles entre-eux. La synthèse des polyimides par azéotropie est par contre la plus intéressante à utiliser à
l'échelle du laboratoire, du fait de sa facilité de mise en oeuvre, et de par la possibilité de synthétiser des lots de polymères d'une cent~ine de grammes à chaque fois.

Un autre p~m~tre ~cc~ntiel à considérer est de ~éterminer si l'ensemble du polymère est bien cyclisé
sous forme de polyimide dans les conditions de synthèse précé~e-mment décrites. Pour ce faire, le procédé le plus simple est de décha-ger une batterie (Cf Annexe) dont la cathode est composée d'un mélange de carbone et du polyimide à étudier, ce qui correspond en fait à effectuer un dosage coulométrique des fonctions imides du polymère. Ainsi, la figure 2.23 présente le résultat de la décharge intensiost~tique à 30 ~lA/cm2 du polyimide obtenu par a_éotropie, à partir du dianhydride du benzène et de la Jçff~mine ED-900 (B/J-900), pour une batterie d'une capacité ~ 0,16 mA.h/cm2.
3,5 1 ~ l 3 BlJ-soo ~ -t_ ' 2,5 --o 1, 5 -o o ,5 1 1 ,5 2 e par molécule Figuro 2.23: Décharge i"lel~sio~ ue à 30 ~LA/cn~ du B/J-900 obtenu par azéotropie.
C~omme nous pouvons le co~ e~, la quantité de charge extraite du polyimide colle:,yond e"~ e~ nt à l'équivalent de deux électrons par molécule de pyrom~.llitimi~e, ce résultat permet de valider le procédé de la synthèse par distill~tioll a_éotropique des polyimides. De la même façon, des essais similaires sur le polyimide du dianhydride du ben7~nP. avec la Jerr~";~lo ED-900 ou ED-2000, obtenu par cyc!i~tion à chaud, confirrn.-nt que dans ces con-litions l'ensemble du polymère est bien cyclisé.

2~94127 II-3-2-2 Essai électrochimique:

~.cssons-nous m~inten~nt à l'étude des propriétés électrochimiques de divers dianhydrides de noyaux aromatiques (ben~ e, benzophénone, pyrazine, dinitrobenzène) copolymérisés avec la J~rr~ ç ED-900. Les réslllt~t.c sont obtenus à partir de batteries (Cf Annexe) dont la cathode est composé d'un m~ nge du polyimide étudié et de carbone, à l'aide d'un appareil Mac Pile~9 (Bio-Logic) développé pour eLfecluer de la vol~ on~étrie lente.

a) Benzène: -La figure 2.24 p,~sente la voltampérométrie cyclique du polyimide du dianhydride du ben7~ne avec la Jçffamine ED-900, obtenu par distillation azéotropique, que nous dénommerons plus simplement par B/J-900. Cette voltampérométrie cyclique, typique d'un système quasi-réversible, montre que le matériau pl~senle deux couples rédox bien dé~mis respectivement à 2,16 et 2,5 Volts, les deux couples étant séparés par ~ 340 mV.

T=80~C ~ ~E~85 mV
POE/LiTFSI 20/1 / \ P

v=84 mV/hr Epréd2=1,94 V Epréd1=2,27 V

1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 E (Volts) vs Li+/Li~
Figure 2.24: Vo/tai"~é,u",~lri~ cyclique à 84 mV/hdu B/J-900.

Les résultats donnés dans le tableau 2.7 permettent de co,l,parer les potentiels rédox des diimides du ~l~ne, du naphtalène [Banl1], et du pérylène IB~nlll avec de la Jçffamine ED-900.

Tableau 2.7 rolerdiel rédox des diimides du benzène, napl,l Y ~e, pérylène avec la Jeffamine ED-900.
NoyauE~l (Volts) E~2 (Volts) ~E (mV) Méthode Vitesse ~ ~n~ène 2,31 2,16 340 Volt~"~r.A"e~ie lente 84 mV/h Naphtalène2,6 2,35 250 11élecrode 125 llm 2 mV/s Pérylène 2,48 / Volt~,,~,e,u,,,ét-ie lente 10 mV/h 219ll~27 ._ Il est inlél~,ssanl de noter que l'écart entre le premier et le second couple rédox tlimin~le au fur et à
mesure que l'on ~ugJnente la taille du noyau aromatique, il est probable que ceci soit lié à
l'~ugm~nt~tiorl de la ~ict~nce séparant les deux fonctions imides. Ainsi, pour le pérylène, les deux fonctions imides sont sllfflc~mment éloignées pour ne pas être influencées l'une relativement à
l'autre, la réd~ction s'Prrecll~e dans ce cas par un m~C~nicme biélectronique.
b) Benzophénone:

La voltampérométrie cyclique du polyimide du dianhydride de la benzophénone avec la Jeff~mine ED-900 (BzP/J-900), obtenu par azéotropie, est donnée sur la figure 2.25. Ce polyirnide présente trois pics de réduction d'un potentiel au sommet du pic d'environ 2,1, 1,75, et 1,4 Voltc, en accord avec les r~slllt~tc de la littérature sur le polyimide du dianhydride de la benzophénone avec le di~mi~ino phénylindole [V~hbeck].

BzP/J-900 f O ~

~-1 O- ~

- 2 o ~ 3 ~ ~ v=10 mV/h 0,5 11,5 2 2,5 3 3,5 E (Volts) vs Li+/Li~
Figure 2.25: Voltai"~éru",ts~rie cyclique à 10 mV/h du BzP/J-900.

Contrairement à ces derniers résult~tc, l'on n'observe pas de pics d'oxydation en balayage retour dans le cas présent. La réaction rédox correspondant à ce polyimide est donnée sur la figure 2.26.

--N~ ON-- --N~N--o O O O' --N~N--~--N~N--Figure 2.26: F/éa- tions rédox du diimide de la ben2~hénone.

~1 941 27 Il est inlél~cs~ll de noter que tout se passe comme si l'on superposait les propriétés rédox du diimide avec celle propre à la benzophél-one. La pl~nce d'une espèce r~ ire à bas potentiel, conjugué à
la lelll~ ule de cyclage de 80~C, peut expliquer la dégradation du m~téri~u; par coupure d'une liaison c~l,one carbone, ou par une réaction de collp1age entre deux espèces r~rli~ ires par ~emrle c) Dinitrobenzène:

Le dianhydride du dinitroben7~ne n'étant pas commercial, il est synthéticé par oxydation du dinitrodurène, comme l'illustre la figure 2.27. Une solution dans 2 litres d'eau de 30 gr de dinitrodurène (0,159 moles), 118,1 gr de carbonate de potassium (0,855 moles), 211,5 gr de permanganate de potassium (1,34moles), et 20gr de bromure de tétrabutylammonium (0,064 moles) est portée au reflux sous agitation méc~nique pendant ~ 72 heures. La solution est alors filtrée afin d'~liminer le dioxyde de manganèse formé au cours de la réaction. Après avoir concentrée cette solution au 3/4 à l'aide d'un évaporateur rotatif, celle-ci est aci~ifi~e avec 80 ml d'acide chlorhydrique pur (pH~ 1). On extrait alors par cinq fracdons d'acétate d'éthyle, puis trois fractions d'éther. Les fractions organiques sont mélangées, s~h~e.~ par du sulfate de sodium, puis l'ensemble évaporé à l'aide d'un évaporateur rotatif. Le produit obtenu (6 gr, rendement de 10%) fond à une température de 230~C, ce qui est en accord avec le point de fusion de l'acide dinitropyromellitique donné dans la littérature [Smith]. Le mauvais rendement obtenu s'explique probablement par la faible solubilité de ce tétraacide dans les solvants organiques.
NO2 N~2 o N~2 o H3C~ 1 CH3 HOOC_ 1 COOH \~
H3~ KMnO4 ~ ~ COOH THF ~

N02 N~2 ~ N~2 ~
Figure 2.27: Synthèse du dianhydride du dinitrobenzène.
Ce produit est ensuite cyclisé en son dianhydride en le traitant par deux équivalents d'anhydride trifluoroacétique dans le THF à froid. Après une heure, le THF est évaporé à l'aide d'un évaporateur rotatif, et le dianhydride du dinitrobenzène stocké en boîte à gants. Ce produit perrnet d'obtenir le polyimide coll~,~ondant avec la J~ffamine ED-900 (DNB/J-900) par azéotropie.

La figure 2.28 présente la courbe de décharge intentiostatique à 30 ~A/cm2 du DNB/J-900. n est surprenant de con~t~ter que le diimide du dinitrobenzène est capable d'accepter quatres électrons en réduction Malheu~ se~ .e~-t ce m~tér~ pr~llte une cyclabilité médiocre. Une décharge limitée à
un électron n'améliore pas la cyclabilité du matériau, cette faible réversibilité du dil.i~ rllitimide n'est app&lc llent pas liée au fait d'illje ~r quatres électrons dans la molécule.

~1 941 27 , .

3 1 1 1 3,2 DNB/J-900 ~ DNB/J-900 ~
o ~ 3 - _ + 2,5 \~er décharge 2,8 ~

u~ \ \ 2,6 ~ ~r décharge 2ème décharge ~ -- ~ 2ème décharge ~~
1,5 1 1 1 ~2,4 0 1 2 3 4 0 0,2 0,4 0.6 0,8 e~ par molécules e~ par molécules Figure 2.28: Décharge inten~io,~ ue à 30~A/cm2 du DNB/J-9oo.
Le calcul de la dérivée inverse du potentiel en fonction du temps permet de simuler une décharge potentiostatique du polyimide, et ainsi de préciser le potentiel des couples rédox, telle que l'illustre la figure 2.29. Lors de la première décharge jusqu'à un potentiel de 1,5 Volts, trois pics en réduction sont obtenus d'un potentiel respectif d'environ 2,7, 2,5, et 1,8 Volts. Par contre, la deuxième décharge ne fait plus apparâître qu'un pic à 1,78 Volts, illustrant par la même la dégradation du polyimide. En limitant la décharge à un électron par dinitropyromelli~imi~e, on observe encore un pic à z 2,5 Volts à la deuxième décharge, mais la capacité déchargée ne correspond qu'au cinquième de la capaci~ au premier cycle.
~ I ~ I ~ ~ I ~ I ~ I -1 er cycle 1 er cycle ~/ ~
J ~ ~ ~ 2ème cycle ,0 ~ , r2ème cycle '~,J

2 3 4 2,2 2,6 3 3,4 3,8 E (Volts) vs Li+/Li~ E (Volts) vs Li~/Li~
Figure 2.29: Dérivée inverse du potentiel en fonction du temps (lissée).

~1 94127 .
Pour en tPrminer avec ce m~té~ l la figure 2.30 p-~sente une réaction rédox pouvant expliquer l'injection de quatres électrons dans la molécule. En fait, il semble que tout se passe, idendquement au cas du dimide de la benzophénone, comme si l'on supe-posait les propriétés rédox du ~liimide~
avec celle propre au dih~i~obe..~n~..

~N~
_~_ = ~_~

Figure 2.30: ~éa-,tions rédox du dinitropyromellitimide.
d) Pyrazine:

Avant d'effectuer l'étude de ce matériau, il nous a fallu effectuer la synthèse de son dianhydride, suivant le mode opératoire décrit sur la figure 2.31 lCha~aWaYl. Plus précisément, 55 gr de 1,2-phényl~nedi~mine (0,51 moles) sont dissous dans 500 ml d'eau chaude, puis l'on ajoute 70 gr de dihydro~y~l,~te de sodium. Après dissolution compléte de ce dernier, la solution est filtrée, et l'on ajoute au filtrat 100 ml d'acide chlorhydrique à 36%. Après refroi~issement, la solution est de nouveau filtrée, et le solide obtenu recrict~ é dans 700 ml d'eau bouillante avec du charbon actif.
Après filtration à chaud, il apparâît au refroidic~emçnt de la solution des cristaux, qui sont récupérés par filtration et lavés avec de l'eau froide. L'acide quinoxaline-2,3-dicarboxylique est obtenu avec un rçndement de 38%, et présente un point de fusion de 188~C.
OH
Q~NH2 HO COO Na+ Ha ~ ~COOH
~NH2 HO- COO~a+ H2o l~l~hd~COOH
OH

o~O~o ~ (CF3CO)20 X(~ ~ KMnO4 O O
Figure 2.31: Synthèse du dianhydride de la pyrazine.

21 941 ~7 Par la suite, une solution de 18,6 gr de cet acide dans 240 ml de potasse lM, additionnée d'un litre de KMnO4 à 8%, est porté au reflux pendant 6 heures. Une fois la solution refroidie, l'on ajoute du rnéth~nol jusqu'à ce que la solution se décolore. Après filtration, la solution est concelllr6e à 200 ml, puis acidifiée à un pH de 3 par 50 ml d'acide chlorydrique SM. Le précipité du di-sel de potassium du tétraacide de la pyra_ine est récupéré par filtration, et lavé avec de l'alcool absolu. Le sel de pot~Csillm est ensuite recrict~llisé dans 100 ml d'acide chlorhydrique à 20%, puis par 40 ml d'eau.
L'on obtient ainsi l'acide Létlacall,oxylique de la P,~ h~G, avec un ren~emçnt de 70%. Son anhydride est obtenu dans les mêmes conditions que pour le dianhydride du dinitroben7~ne Dans ce cas, il n'est pas possible d'obtenir le polyimide correspondant par azéotropie, la pyrazine sembl~nt se dégrader pendant la réaction, prob~blement par une réaction de décarboxylation. Le polyimide est plutôt synthétisé par réaction de l'anhydride avec de la kff~mine ED-900 (Py/J-900) dans l'~rétonitrile~, puis cyclisation de l'acide polyamique par le m~l~npe pyridine/anhydride acétique, suivit d'une reprécipitation dans l'éther. La figure 2.32 donne le résultat de la premiére et de la seconde décharge intensiostatique effectuée à 30 ~Vcm2 de ce m~téri~
2,8 2 ,6 ~ PYlJ-9oo T=80~C
o_ - \ ~ POE LiTFSI 20/1 ~ 2,4 - ~ ~ Id=30~A/cm 2 , 2,2 -- \ ~ --.. 2 -- \ ~ _ 1,8 - \ 1ère décharge 1, 6 - 2éme décharge 1,4 o 0,5 1 1,5 2 2,5 e par",~é ~lle Figure 2.32: Décharge i"la,)ti~sl~ e de la Py/J-900 à 30 ~J/cn~.
Lors de la première décharge, il apparâît deux plateaux bien définis que l'on peut attribuer aux couples rGdox propres aux deux fonctions imides, mais qui ne IGprésentent que la moitié de la ~pa~ théorique du polyimide. De plus, après recharge, ces deux plateaux se distinguent encore sur la courbe de décharge, mais ne IGprGsGlltent plus que la moitié de la capacilé au premier cycle Pour ~valuer les potentiels rédox correspondant à ces couples, la figure 2.33 pr~n~en~ la dérivée inverse du potentiel en fonction du temps, l'on obtient ainsi une courbe simil~ire à celle obtenue par une voltamp~ IllGl~ie cyclique. Les potentiels au sornmet des pics que nous attribuons aux couples rédox du diimide de la pyrazine sont respectivement de 2,6 et 2,25 Volts, soit approximativement 300 mV
au dessus de ceux relatifs au diimide du ~ 7~l~e.

~1 94~27 .
~ . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
J \~me cycle J J \~1 er cycle \ ~
~/' ~ . I ~ . . . I . . . . I . . . . I . . . .
1,5 2 2,5 3 3,5 E (Volts) vs Li+/Li~
Figure 2.33: Dérivée inverse du potentiel en fonction du temps (lissée).

II-3-2-3 Les empilements moléculaires:

Le tableau 2.8 regroupe les intPnsités de courant de pic obtenues en voltampérométrie cyclique sur une microélectrode de 25 ~Lm, pour trois espèces électroactives, respectivement le diamide du ferrocène, le diimide du naphtalène, et le diimide du pérylène, copolymérisés avec de la Jeff~mine IBanl1l. Ces inten.citPs étant déterminées pour une vitesse de balayage identique (40 mV/s), à
une même le~ t~Ire (80~C), et avec une même longueur de chaîne du ~egm~ n~ solvatant (Jeff~mine ED-900), l'a~Igmentation de l'intensité de courant entre le ferrocène et les ~iimides de noyaux aromatiques est pour le moins surprenante.

Tableau 2.8 Influence de I'espèce électroactive, copoly",éri~ée avec la Jeffamine ED-900, sur Ie courant de pic mesuré sur une ", r~le_ll.,de de 25 llm à 80~C, pour une vitesse de 40 mV/s, d~apres lBanI1].
Molécule rédox Ferrocène diamide Naphtalène diimide Pérylène diimide ipiC (nA) 0,046 1,3 130 ipic/ipic(ferrocène) 1 283 2830 Cet accroissPmP-nt du courant pour les ~iimides de noyaux aromatiques peut se justifier si l'on admet que les électrons ne se déplacent plus par saut activé d'un site actif à l'autre, en corrélation avec les mouvements segmP~ s de la chaîne macromoléculaire, comme dans le cas du ferrocène, mais par un m~r~n;~ e de transport coopératif. Un tel m~c~ni.c.Ae de déplaremPnt des électrons fait intervenir la notion d'empilement moléculaire 18anl1l En effet, les molécules planes po~s~éd~nt un système d'orbitales ~ conjuguées, comme les diimide~ de noyaux aromatiques, sont susceptibles de crictallicp~r suivant une structure quasi-~midimPn.cionnelle qui correspond en fait à un empiIe.mP.nt des noyaux aromatiques. Ces empilPments sont à priori favorisés dans les milieux polaires lalond~ que sont en particulier les électrolytes polymères formés par la ~icsol~tion d'un sel à anion délocalisé dans du poly(oxyde d'é~ylène) 2194t27 I .
La figure 2.34 illustle ce conce~l dans le cas particulier du copolymère obtenu à partir du dianhydride du n~rh~lP.nP, et d'un oegm~nt de poly(o~yde d'éthylène) (li~min~s e- ' O . .

' . ~ ~ M ~
.
Figure 2.34: Modéle d'e"l~.;.'e7,ents i7..,'éc~ espour le poly(naphtalimide-co-oxyde d'éthylene).

L'analyse par calorimétrie différentielle à balayage (Cf Annexe) des propriétés tllprmi~lues des polyimides en fonction de la longueur de la châîne du segrnent solvatant, et de la nature de l'espèce électroactive.devrait permettre de conr~ er la validité de cette hypothèse. La ffgure 2.35 illustre les résultats obtenus pour les copolymères, obtenus par azéotropie, du diimide du benzène, avec la Jçff~rninP, ED-600, 900, 2000, et le PPO di~rnin~s de masse 400 IGUilbUdl.

- 30~
T/~t= 1 0~C/mn - 44~ l ~ B / J-600 o ~
~D . 60~1 ~ B / J-900 ~ I\
~300\
\~ B / PPO-400 Température Figure 2.35: Influence de la nature du sey",~"l diaminés sur les propriétés tl,e"" ~es des copolymeres du diimide du be,~el)e avec la Jeffamine ED-600 900, et 2000, et le PPO 400 diaminés d'apres [Guillaud].

. .
Il app~ul que la tempél~tulG de tr~n.cition vill~se des polyimides ~ngmçnte lorsque l'on diminue la longueur des rh~în~-s, et passe ainsi de -60~C avec la Jerr~..ine ED-2000, valeur proche de celle pour le POE pur [VaU~el, à 3~C avec le PPO 400. Cette a~lgrn~nt~til~n de la te~ de tr~n.cition vitreuse est probablement liée à la ~limim1tion des degrés de liberté des ch~înP~ contraintes à leur deux e~ ilés. Par contre, seul le polyimide avec la Jeff~mine ED-2000 recri.ct~lli.se, les trois autres segments perm~tt~nt d'obtenir des m~t~.ri~ amorphes.

Le tableau 2.9 quant à lui permet d'évaluer l'h-fl.)e~-ee du noyau aromatique sur la température de transition vitreuse des copolymères de la Jeffamine ED-900, avec respectivement le diimide du ben7~ne~ n~pht~l~.n~., et du pérylène lGUillaudl.
Tableau 2.9 Influence du noyau aI~"~d~ Je sur Ia te""~érdl- re de l,dnsiti~n vitreuse des copolymères de la Jeffamine ED-soo avec .~ ~;tiioment le diimide du benzène, na~ ne, pérylène, d'après [GuiIIaud].
Noyaux aromatiques Benzène Naphtalène Pérylène T~, (~C) -44 -43 -45 Comme l'indique ce tableau, la température de transition vitreuse est indépendante du noyau aromatique composant le diimide, il est possible d'en conclure que celle-ci ne dépend que des propriétés thermiques de la Jeffamine ED-900. Ce résultat milite pour l'hypothèse de la présence d'empilementc moléculaires des diimitles de noyaux aromatiques, les segments polymères placés à
l'extérieurs s'or~ni.c~nt indépend~mment de ceux-ci.

D'autre part, pour compléter ces résultats, une étude de diffraction des rayons X de différents polyimides a été entrepris en collaboration avec le laboratoire de spectrométrie physique (LSP) de l'Université de Grenoble. En premier lieu, la figure 2.36 présente le spectre de diffraction X des copolymères du diimide du bçn7~n~, naph~ ne, et du pérylène, avec la Jeff~mine ED-148 lDiuradol.

~ P/J-1 48 ... ., , .. ,,,~, ~,, ~ , N/J-148 I

~ ~ ~ B/J-148 o 10 20 30 40 50 60 2~ (degré) Figure 2.36: Spectres de diffraction X des copol~",er~s du diimide du benzène,naphtalene, etp~ ne avec la Jeffamine EO-148, relativement à la raie K"~ du cuivre, d'apres [Djurado].

.
Pour sa part, la figure 2.37 permet de comparer le spectre de diffraction des rayons X entre le copolymère de la Jerr~ ED-148 et ED-230, et le diimide du b~n7~n~

J ~ ~ B/ J- 230 ~ ~ B/ J- 148 o 10 20 30 40 50 60 20 ( degr é) Figure 2.37: Influence de la longueur de la chaîne sur les spectres de Jirfict-,lion X du diimide du benzene avec la Jeffamine ED-148 et E0-230, relativement à la raie Ka du cuivre, d'apres [Djurado].
Quant à la figure 2.38, elle permet de comparer le spectre de diffraction des rayons X entre le copolymère de la Jeff~mine ED-900 et ED-2000, et le diimide du ben7~ne 1~' 1 1 JJ
~ B/ J- 2000 20 ( de~ é) Figure 2.38: Influence de la longueur de la chame sur le spectre de diffraction X du copolymere du pyrromellitimide avec la Jeffamine ED-900 et ED-2000, relativement à la raie Ka du cuivre, d'après [Djurado].

219412~

II-3-3 Application comme ~né~ teur d'électrons dans les batteries:

Les polymères à conduction mixte devl~ienl permettre de catalyser la réaction d'insertion au sein de la cathode des batteries à électrolytes polymères, en permett~nt le transport conjoint des ions et des électrons à la surface du matériau d'insertion. Une manière de mettre en évidence cette hypothèse est de colupa~r la décharge d'une batterie dont la cathode est conctit-lée du mélange d'un m~t~ri~u d'insertion et d'un électrolyte polymère à base de poly(oxyde d'éthylène), en l'~bsPnre de tout additif de conduction électronique, comme des particules de carbone, avec une batterie dans laquelle l'on substitue le poly(oxyde d'éthylène) par un polymère à conduction mixte, capable de transporter les électrons dans l'état d'oxydo-réductio~ approplié.

Plus précicément, l'équation ci-dessous décrit la réaction correspondant à l'insertion conjointe d'un cation lithium et d'un électron dans la ~ u;Lure du m~t~ri~l d'insertion (MI):
~Li+ + ~e~ + LixMl ~ Lix+~MI
La catalyse de cette réaction consiste à enrober le m~t~ri~l) d'insertion (MI) par un polymère à
conduction mixte (PI) capable de transporter sim--lt~né-mPnt le cadon et l'électron à sa surface. D'une certaine façon, ceci revient à considérer que le polymère à cond~lction mixte pr~se~t~nt une cinédque rapide relativement à celle du matériau d'insertion, il stocke temporairement les charges, avant que celle-ci ne s'insére au final dans le matédau d'inser~ion. L'équadon suivante illustre ce pdncipe:
~Li+ + oe~ + PI + LiXMI ) Li~+PI~- + LiXMI ) Pl + LiX+~MI
Si il est possible d'effectuer une telle catalyse, une faible capacité coulombique du polymère à
conduction mixte, relatdvement à celle du matédau d'inserdon, doit être suffis~nte Mais ce principe ne peut fonctdonner que si le potentiel thermodynamique du matériau d'inserdon est supédeure dans une large gamme de composition à celui du couple rédox, idé~lement à plus haut potentiel, du polymère rédox, afin de permettre la réoxydadon de ce dernier au cours de la décharge. Si la cinétique de la réaction d'insertion est contrôlée par le polymère à conduction mixte, l'on devrait décharger la batterie au potentdel d'oxydo-réducdon de ce dernier. Le but étant bien évidemment de faire travailler le matériau d'insertion au potendel le plus élevé possible, afin d'opdmiser la densité d'énergie.
.
Si l'on envisage de védfier ce pdncipe en u~ n~ le diimide du benzène qui présente un premier pic de réducdon à 2,27 Volts, le trioxyde de molybdène (MoO3) dont le potendel de demi-décharge est 2,3 Volts l~,piésellte un bon choix de m~t~ri~u d'insertion pour une telle étude. Ce matédau, de sllu~:lu~ m~ ire~ et capable d'insérer dans sa structure 1,5 atomes de lithium par molybdène, a fait l'objet de nombreuses études dans les années 70, en vue d'une éve-ntuçll~ applicadon comme cathode dans les batteries à anode de lithium [Al, ,d~]. Cet essai n'a de sens que si l'on compare des cathodes d'une capacilé et d'une composition équivalente. Aussi, les deux batteries testées pr~sçn~e~-t telles la c~pacité la plus proche possible relativement au trioxyde de molybdène, en l'occurrence comprise entre 14 et 15 C/cm2, en considérant 1,5 Li/Mo, et sont d'une même composition volumique, soit 40% en volume de MoO3 pour 60% en volume de polymère, quelqu'en soit la nature.

La figure 2.39 présente le résultat de la décharge à un même régime de 30 IlA/cm2 pour ces deux configurations de b~tteries. Le calcul de la capacité théorique pour celle utilisant le polymère à
COI-duC!;OI~ mixte (B/J-900) tient compte de la cap~i~é apportée à la cathode par ce dernier. La simple substitution du poly(oxyde d'éthylène) par le poly(benzodiimide-co-oxyde d'éthylène) permet d'améliorer sans conteste les performances de la cathode, et ainsi de passer d'une capacité
d'utilisation de la c~thode de 28 à 91%. De plus, il app~î~ un plateau bien défini à 2,35 Volts, représentant ~ 20% de la capacité théorique de la cathode, que l'on peut attribuer au potentiel d'oxydo-réduction correspondant au début du premier pic de réduction du polyimide (Cf II-3-2-2).

2,8 ~ Polymère: B/J-900 2,6 - \ ---~---- r~c.ly"~èr~:; POE 3.105 t. ~ Materiau d'insertion: MoO3 ~
J 2,4 --Id=30~A/cm2 -2,2 - ~. Em=2 26 V Em=2 3 o 2 uJ 1, 8 -1, 6 --C,h=3,9 nlA.hlcm2 C~h=4,4 mA.h/cm2 1,4 ~ I ~ I I. I , %Capacité théorique Figure 2.39: Catalyse de li"se,~i~n du lithium dans MoO3 parle B/J-900.
La validité de ces essais est confinnée par un ~e-lxième essai en batterie pour chaque configuration, pour des capacités légèrement différentes, qui donne un rendement coulombique de décharge sensiblement équivalent à celui obtenu lors du première essai correspondant à chaque configuration~

Pour sa part, la figure 2~40 permet de comparer la décharge de la cathode cont~n~nt le polymère à
con~uction mixte et le trioxyde de molybdène, à celle relative à ce que serait la décharge du seul polymère à con~u~tiQn mixte, et ce d'après le résultat obtenu lors de la décharge intenctiost~tirlue du B/J-900 (Cf II-3-2-1, figure 2~22) pour une même densité de courant, et une capacité du même ordre de grandeur (0,16 vs~ 0,26 mA~h/cm2). Dans le cas présent, la c~p~eité théorique appo.~ée par le polyimide n,pr~sellte ~ 6% de la capacité théorique du trioxyde de molybdène, de plus, si l'on s'int~.esse ul~ uenlent à la capacilé col-espondant à un potentiel supérieur ou égal à 2,35 Volts, celle-ci ne ~ lese~ plus que 0,3% de la c~r~ç;l~ pratique obtenue lors de la décharge de la cathode.

3 1 1 1 l l l ------- MoO3+B/J-900 ~ 2,5 - " B/J-900seul t~ ~ --------------------_ _ Id-30~A/cm 2 ~ ~. -C~h=0,26mA. h/cm C,h=0,26(B/J-900)+4 ,1 7(MoO3)=4,43mA. h/cm Temps (en heures) Figure 2.40: Décharge théorique du polyimide relativement a la cathode MoO3/B-J900.
Il résulte de l'ensemble de ces r~s--1tqtc, que le terme de catalyse électronique est parfaitement app,op.ié, dans le cas présent, pour qualifier le rôle de m~iqtellr électronique du polyimide vis à vis de la réaction d'insertion du lithium dans le trioxyde de molybdène Il est bien sur évident que ces essais mériteraient d'être approfondis plus en avant, mais à ce stade, il est déjà clair que le concept de catalyse électronique, lors de la décharge des batteries, par les polymères à conduction mixte anionique, et ce au niveau microscopique, ouvre la voie, tout au moins pour les systèmes primaires, à un large choix de matériaux de cathode dont l'utilisation n'a jusqu'à
présent pas été retenu en pratique, du fait de leur cinétique lente, ou de leur résistivité électronique trop élevée, défauts qui pourraient dès lors être partiPll~m~n~ surmontés.

D'autre part, ces résultats laissent entrevoir l'importance de trouver des polymères à conduction mixte anionique, dont le potentiel serait supérieure à celui du matériau d'insertion, et se situerait donc ide~l~mPnt dans une gamme de potentiel située entre 3 et 4 Volts, et qui permettraient pour leur part de catalyser la réaction de décincertion lors de la recharge de la batterie.

II-3-4 Application comme réserve de pl~;cs~rce dans les batteries: -Depuis quelques ~nnpes~ il existe un regain d'intérêt pour les systèmes énergétiques de pnic~cqnce~initié à l'origine par les programmes militaires américains visant à développer des canons électrom~gr~tiques et des lasers pulsés. A l'heure ;~tu~Plle, les applications potentiplles de ces systèmes d~pq~nl largement ce cadre, et l'on envisage di~er~s utilic~tions de ces composants pour l'électrot-~hnique, et plus particulièlGIllellt dans le dom~ine de l'automobile.
En effet, dirÇélGnles fonctions électriques dans les automobiles actuelles, comme le démarrage des moteurs thermiques, le déclenchemel-t des airbags, le préch~nff~ge des pots catalytiques, ou le 21 94~ 27 .;
dégivrage n~ces$;lent de disposer d'une p~licQqnce importante (~ 2 kW) pendant des laps de temps assez courts. Le problème est encore plus crucial dans les véhicules électriques pour lesquels seules les bq-tte ieS embarquées fol-rniccent l'énergie perrnettq-nt de les propulser, et d'autant plus dans les véhic~lles à traction électrique hybride, c'est à dire ceux où l'on couple une g~n~r~qtrir,e thermique avec des bqtteriPs Pour fixer les ordres de grqnde~lrs, le tableau 2.10 résume les besoins énergétiques fournis par des b~qttpries pour ces trois types de v~hicllles en termes de contenu énergétique, de puiCcqnce, et de potentiel d'qlimerlt~tion du moteur [Degayllo~. En supposant que ces véhicules soient équipés avec des b~q-tte-~içs d'une énergie spéçifique de 100 Wh~kg, ce tableau indique ég~lement le poids de b ~tte ieS n~cess~i~e, et la pnic~cqnce spécifique qui leur faut délivrer dans ces conditions.
Tableau 2.10 Besoin énerg~tique d'un véhicule ~ ue hybr~e, et électrique.
Puissance et EnergieVéhicule actuel Véhicule hybride Véhicule électrique kW 2 50 100 kWh 0,5 5 50 Vol ts 26 300-500 500-700 poids de batterie (kg) 5 50 500 W/kg batterie 400 1000 200 IndépPndq-mmP-nt de la nature des bq~ttç~ies utilicées, il est souvent antagoniste de les optimiser à la fois pour mqlrimicer l'énergie spécifique, et pour délivrer des p~iss~qnres importantes, cette lltilicq,tion r~sult~nt en une dégradation prématurée des battçriPs. Le couplage de la batterie avec un composant de pniccqnce est actuellçmPnt la solution envisagée pour disposer à la fois d'une batterie dont l'on peut optimiser la géométrie afin d'optimiser sa densité d'énergie, et qui permet de limiter la pnicsqnce qui lui est dem~ndée à une valeur relativement faible (~ 20 W/kg).

Les études sur les composants de pllissq-nre sont centrées sur les capacités qui mettent en application l'utilicqtion de la double couche électrochimique (~ 20 IlF/cm2) se développant à la surface de carbone de grande surface spécifique (-1000 m2/gr). A l'heure actuelle, en lltilicq-nt des électrolytes organiques, I'on obtient des capacités d'une énergie spécifique -SWh/kg et d'une pnicsqnce spécifique de 1 à 10 kW/kg, capables d'effectuer au moins 100000 cycles de charge/décharge.
D'autres voies d'études portent sur l'utilic~tion d'électrodes en oxyde de ruthénium en milieu acide sulfurique, I'on met à profit dans ce cas l'insertion rapide du proton dans RuO2, il s'agit en fait d'un phénomène de pseudo-c~p~ ce Il est églqlpmpnt envisagé de développer des systèmes symétriques utiliQqntc des électrodes à base de polymères cond~c~u~ électroniques, en milieu organique, dont l'une des électrodes subirait un dopage de type "p", pçn-lqnt que l'autre serait soumis à un dopage de type "n", il s'agit de nouveau d'un ph~nomane de pseudo-capacitance, puisque l'on travaille non pas à la surface, mais dans le volume du m~t~riqll d'électrode.

Cepen~qnt le couplage des batteries avec des composants de puicsq-nce nécçsc~ t d'utiliser une clc.,lrollique de p~ s~nce coûteuse. Par contre, il est possible d'envisager l'utilicq-tion des polymères solvatants rédox pour introduire directement cette fonctionnalité dans les batteries. En effet, .
supposons que l'on s lbstitue l'électrolyte polymère composant la cathode par un polymère rédox solvatant. Lors d'un appel de p~liQ-Q~r~e important, la cinétique du polymère rédox étant plus rapide que celle du m~n~l~ d'insertion, l'on réduit eQ~QentiPll~m~nt le polymère rédox. Tant que le potentiel du m~t~n~l~ d'insertion est ~u~lieur à celui du polymère rédox à l'état réduit, lorsque la dem~n~e de puiQs~nce cesse le matériau d'insertion réoxyde le polymère rédox, et celui-ci est à nouveau disponible comme réserve de p~-;c5 ~ce dans la b ~tPrie. Ce concept est résumé sur la figure 2.41, en ut~ Q Int l'exemple d~une cathode composée du m~l~nge de poly(benzodiimide-co-oxyde d'éthylène), de carbone, et d'oxyde de v~n~ m Cathode en Contrôle Contrôle Pseudo-équilibre cinétique thermody"alr,:~ e App~ 3 n~ lon ECath = EMI

ECath = EPI /~ 5 ECath = EMI ~D .

puissance slalionnaire Istationnaire temps o O o O Li+ r~ O
O N-- >--N~ EMI >EPI ~N--- Li yVOx Li yVOx Li y+~ VOx Figure 2.41: Principe d'utilisation d'un polymere rédox comme réserve de puissance dans une batterie.

Afin de mieux définir les ordres de grandeurs, supposons que l'on s'intéresse à une batterie utilic~nt une cathode d'une capacité de 5 C/cm2, consti~U~e d'une fraction volumique de 40% en oxyde de v~n~inm, de 1'0% en volume de carbone, et d'un polymère rédox ,e~l~se.,l~nt 60% du volume de l'électrode. Sarh~nt que l'on insére 0,6 Li par atome de v~n~ lm~ et conn~i~s~nt la densité et la masse molaire de chacun de ces m~t~ri~llx, le tableau 2.11 donne l'épaisseur et le poids par cm2 de film de batterie, pour le s~ lnc comprenant le lithium (Li) en excès relativement à la cap~i~ de la cathode (3 fois), l'électrolyte (l~lec), la cathode, et les coll~cte-lrs de courant en aluminium (Al).

, Tableau 2.11 Poids et é~ seur surfacique des différents co,-l~osa"ts d'un film de batterie.
Matériau ~o Volume Poids (mg/cm2) épaisseur (llm) V~x (5 C/cm2) 40 7,85 23,4 Polymère 10 3,5 29,2 Carbone 50 1,16 5,8 Al/Li(3x)/Élec(30~1)/Cathode/Al(8~)mbatt=21,5mg/cm2 ebatt= 124,6~1 Une telle confi~l~ation coll~cpond à 3,5 mg de polymère rédox par cm2 de film de batterie L'étude sera limitée au poly(benzodiimide-co-oxyde d'éthylène). Il faut inclure dans ce poids, le sel de LiTFSI supposé dans le cas présent à une concentration O/Li = 30/1. Dans ces conditions, il est possible de d~'tenniner la densité d'énergie massique et volumique fourni par le polyimide, telle que l'illustre la figure 2.42. Ce calcul est Pffectllé en c~ ncidér~nt les deux électrons du benzodiimide, et en supposant que le potentiel moyen d'utilic~tion de ce rn~t~ est de 2 Volts. Ainsi, si l'on s'intéresse à un polyimide constitué par un POE di~min~s d'une masse de 600, l'on dispose d'une densité
d'énergie #20Wh/kg de film de batterie, en sus de celle du matériau d'insertion de 160Wh/kg. Il est possible d'estimer l'énergie et la pui~s~nr,e à 60% de cette valeur pour un système complet de batterie, soit ~ 12 Wh/kg et 100 W/kg . En reprenant l'hypothèse d'une puicc~nce de 100 kW pour un véhicule électrique, et de 500kg batteries embarquées, ceci correspond à une réserve de puissance ~ 360 s, ce qui est tout à fait compatible avec le temps d'une accélération (~ 1 mn).
. ~ , I . I .
~ Wh/l 40 --~ _ ~~ \
a~ ~

c 20 -~, ,. Wh/lcg O ~ I ~ I . I , Masse du POE diaminés Figure 2.42: Densité d'énergie foumi par le poly.;).:~ c~")~osanl la cathode du film de batterie.
Ce principe n'est viable que si le polymère rédox est capable d'effectuer de 50000 à 100000 cycles charge/décharge, tout en conservant la cyclabilité du m~t~-ri~l d'insertion. Cette hypothèse n'est pas dénuée de sens. En effet, lors d'un appel de puics~nce important, le potentiel de la cathode peut suffics~ P~ minl)er pour atteindre la limite de stabilité du m~tkri~ll d'insertion. Par exemplP
l'oxyde de vanadium se dégrade lorsque le potentiel de la cathode devient inférieure à ~ 1,5 Volts.
Par contre, dans l'hypothèse ou le polymère rédox absorbe le pic de pllics~nce~ le potentiel de l'él~;trode reste à des valeurs compatibles avec le m~t~ri~u d'insertion. La v~ tion de ce prinrire .~ .
dt~pqc~c~tlu le cadre des études à notre porté, nous nous sommes contt~ntt~s d'évaluer la cyclabilité et la p~.;cc~l~tt~e ~tcce~:ble d'une batterie (Cf Annexe) utilitt~qnt le copolymère obtenu par azéotropie à partir de la Jerr;~ ED-900 et du dianhydride du bte-~tt7~i-e (B/J-900), comme matt~r~ de cathode. Ainsi, t la cathode de la batterie testée contient 3,4 mg/cm2 de polyimide, valeur proche de celle envisagée prt~rédemmt~nt ce qui colltt~,pond à une capacilt~ de 0,57 C/cm2.

La figure 2.43 présente le résultat de cyclage pour une densité de courant de 30tuA/cm2 de cette batterie. Comme l'indique cette figure, l'ensemble de la capacité du matériau est ~ccessihle à la première décl~ge, mais elle décroît rapidt~mçnt dans les dix premiers cycles pour se stabiliser par la suite à tt- 80% de la cztp~citt~ initiale. n est probable que cette perte de ca~acilé est liée à la dégr~d~tion d'une partie des fonctions électroactives à l'état réduit, par l'hydroxyde de lithium formé par réaction de l'eau résiduel à la surface du lithium. De plus, le rendement coulombique exprimé par le rapport de la capacité en recharge sur celle en décharge (C/D) est de un pour la majorité des cycles, ce qui indiquent l'~losence de ph~nom~m~s parasites durant la recharge, et en particulier de den~ri~çc 12 0 ~ 1 1, 2 1 oo ~ I ~ IJ~I~)~L~ nJ l l ll ll l~JJ~ 1 ~_ Essal de puissance 3 80- ~ 0,8 .~q 60 - Ic=6011A/cm' ~ - 0,6 c~
Ic=3011A/c m2 ~
4 0 - Id=301lA/cm2 Id=60~lA/cm2 ~ 0 4 I Umin=1 ,SV
20 ~ ¦umax=2~5v .- 0,2 O I I I I I I o 0 1 o 20 30 40 50 60 70 N~ ,II,r~ de cycles Figure 2.43: Cyclage de la batterie a 30~LA/crn2.
La capacité étant parfaitement stabilisée après soLlcante cycles, il a été possible d'effectuer un essai de puics~nce sur cette batterie en augmentant réguliérement le courant de décharge de 15 à
3840 IlA/cm2. Le courant de recharge est choisi à la moitié de la valeur du courant de décharge jusqu'à 120 ILA/cm2, puis fixé à 120 ~LA/cm2 par la suite, et ce pour garantir une recharge efficace de la c~thocle après une dé,l~d~ge rapide.

La figure 2.44 ~pr ainsi la fraction de la capacité disponible en fonction de la densité de courant, ~ull~lle~lt dit de la p~liss~nce dçm~ndée, l~Çélellcée à une car~ité de 100% après 59 cycles (Csg) pour plus de commodités 11 est au~ssi indiqué le régime de décharge en Cltd, qui exprime en fait le temps en heures (td) qui coll~,spondrait, pour un courant donné, à la décharge de la batterie, en supposant une utili~tion de 100% de la capa. ;l~

o I ~1 9412~7 120 ~ 2,2 100 ~ C/4 ~ 2,1~ - C/2 ~ 80 f~ C - ~ 2 - ~\ -._ - ~C ~D
._ 60 ~ 4C~ _ ~1,9-- 8C ~
40 _ 16C \ - ~--c 1,8 -\~ rL ~\
2 0 - 32C - 1, 7 - \~

o I I I I I I 1 1,6 o 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 o 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 Densité de courant (mA/cm2) Densité de courant (mAlcm2) Figure 2.44: Influence du régime de déchargeFigure 2.45: Influence du régime de surb capacité de la cathode, I~,Sf~ ~Se a C59décharge sur le p.~lenliel moyen de la cathode.

Le potentiel moyen, calculé par intégration de la courbe de décharge, est quant à lui donné sur la figure 2.45. Ce potentiel évoluant de façon relativement linéaire avec la densité de courant jusqu'à
960 IlA/cm2, l'on peut en déduire une r~sis~nce ohmique équivalente # 350 Ohm.cm2. Cette valeur est relativement élevée, mais il ne faut pas oublier que la batterie utilise un électrolyte approximativement dix fois plus épais à celui qui serait utilisé dans un système optimisé.

La figure 2.46 quant à elle permet d'évaluer l'hystérésis entre le potentiel pendant la recharge relativement à celui dé~lllPillé en décharge pour le 59ème cycle de la batterie. Il en résulte que pour un régime de décharge et de charge lent (30 ~lA/cm2), le potentiel en recharge n'est supérieure que # 50 mV à celui en décharge, ce qui est somme toute relalivelllent faible.
2,8 1 , I
2, 6 - Cycle N~59 _ 2.4 ~ Id=lc=30~lA/cm2 2, 2 ~
~ 2- ~ ~ _ uJ 1, 8--1,6-1,40- 20 40 60 80 100 %Utilisation Figure 2.46: D~cl)aryd et charge i"lensi~ '~ ue à 30~/crri2 du B/J-900 au 59~me cycle.

-La figure 2.47 donne les courbes de décha,~,es de la batterie pour les différents courants (indiqués en ~A/cm2) utilisés lors de l'essai de pniss~nce Il est il,t~ssant de conct~ter que la perte de capacité est çcoentiell.ompnt due à la clensi~me réd~lction du ~mo~1iimi(3e, ce qui traduit une moindre cinétique de la réaction relativement à la pl~",iè,t; ré~uction du polyimide.

%Utilisation Figure 2.47: Influence de la densité de courant (en l~A/cn~) sur le potentiel de décharge.

Il est d'usage courant de caractériser un système énergétique en reportant sur une échelle logarithmique, la densité de puissance en fonction de la densité d'énergie. Autrement dit, cette ,epr~sel-t~tion donnée sur la figure 2.48, appelée courbe de Ragone, permet de mettre en évidence les limites cinétiques du fonctionnement de la batterie. L'établissement de cette courbe suppose d'effectuer des hypothèses sur la géométrie du système, qui correspondent dans le cas présent à une épaisseur de 86 llm, et un poids de 12 mg par cm2 de film de batterie, incluant le lithium, l'électrolyte, la cathode, et deux collecteurs de courant en aluminium. Le calcul de la densité d'énergie tient compte du potentiel moyen de décharge de la batterie pour une densité de courant donnée.

103 ' ' ' ' ' ' ' ' I
~ e(AI)=2x811m=1 611m ~
3 ~ 280W/I _~ e(Li)=1 0~1m 200W/kg ~ e(Elec)=3011m " 1 o2 ~ e(Cath)=30)1m ~t ~e=8611m .~ ~ --~ 1 01~
._ o , , . ..... I , . . .....

Densité d'énergie (Wh/l) Figure 2.48: Courbe de Ragone de la batterie étudiée.

L'électrolyte que nous supposons d'une ép~isse~lr de 30llm pour le calcul est en réalité d'une épaisseur ~ 200 à 300 ~Lm dans la batterie étu~ e. Dès lors, la densité de puiss~nce évoluant à
l'inverse du carré de l'épaisseur du ~s~ c, la pui.cs~nce calculée est une sous-estim~tion de la puiSs~nce qui serait obtenue avec un électrolyte mince. De plus, pour une pnics~nce donn~e, la densité d'énergie disponible est é~le.ment sous-évaluée du fait de la pol~ris~tior~ Quoi qu'il en soit, cet essai prouve qu'il est possible d'obtenir des p~ics~l~ces i~pollantes ~1 kW/l pour une densité
d'énergie ~ lOWhA, ce qui est tout à fait co...p~lible avec l~app~ ;on envisagée.

L'autre paramètre e.s.senti~l à conci~lérer est la cyclabilité de ces matériaux pour un régime de charge et de décharge rapide en relation avec le rôle ~csign~e aux polymères rédox dans la b~tterie- La figure 2.49 présente les premiers cycles obtenus pour une densité de courant de 500 ~A/cm2, ce qui correspond approximativement à une puics~n~e de l00 Wh/l et une densité d'énergie de 20 Wh/l. La cdpacilé en décharge dépend du potentiel de recharge de la batterie, l'épaisseur du film d'électrolyte nécessite d'augmenter légérement le potentiel de recharge pour limiter l'effet des gradients de co~nt~tiOns. n est tout à fait illt~.~ssdnt de col~t~r l'e~cçll~ntP. cyclabilité du polymère rédox, sa c~p~c;l~ d'~ltili.c~tion restant stable pen~nt plus de 300 cycles de charge/déch~;e, ainsi que l'~hsP.nre de ~P.nl1rites lors de la recharge. Cette ~hspnre de ~len~ritec pOUIl~ût être mis sur le compte de la faible capacité de lithium cyclée, d'environ 0,25 C/cm2, ce qui correspond à une épaisseur ~ 0,3 ~m/cm2, au regard de l'épaisseur du film d'électrolyte. D'après l'expérience sur d'autres essais en batterie, cet effet doit plutôt etre imputé à l'homogénéité de la cathode résult~nt de la nature macromoléculaire du matériau de cathode, qui garantit une dissolution et un dépot homogène du lithillm 1 2 0 ~ 1, 2 100 - ~:00~00 0 0 o ~to o O ~ O 1 c 80 _ ¦ Id=500~lA/cm2 - 0,8 ~ I Ic=500~lA/cm2 .tn 60 - ~ ~f 0,6 c~
40 _Umax=2,6V ¦ Umax=2,8V ¦ Umax=2,6V o 4 - Umin=1 ,5V
20-- -- 0,2 O I I I I I I o 1 oo 1 50 200 250 300 350 400 Nombre de cycles Figure 2.49: Cyclage à 500JJA/cn~ de la batterie, %Utilisation r~f~r~nc~ à la ~ h~ à Cs~
L'essai s'est poursuivi à une densité de courant de 1 mA/cm2, soit approximativement à une pniss~nce de 200 W/l et une densité d'énergie de 15 Wh/l. Pour simplifier, la capacité est une nouvelle fois norm~ e à celle obtenue après 59 cycles de charge/décharge. Le résultat obtenu dans ces con~ition~ est donné sur la figure 2.50.

,, .
~ 161 2194~27 60 1 1 1 1 1 1,2 5 ~ ~1~ ~~ ~V\~V - 1 0 4 0 ~ O, 8 , ¦Ic=lmA/cm2 ~_~ - 0,6--20 - Id=lmA/cm' ~, _ 0 4 - I Umin=1,5V
10 - I U max=3V - 0 , 2 O l l l l l O

Nombre de cycles (en milliers) Figure 2.50: ~yclage a 1 mA/cm2 de la batterie, %Utilisation ~rér~nce à C69.
Comme nous pouvons le constater, après - 60000 cycles de charge/décharge, la batterie délivre encore ~ 30% de la capacité obtenue au d~but de l'essai de cyclage, pour ce régime de décharge de 1 mA/cm2. L'--tili.c~tion de la capacité de la batterie pour quelques décharges effectuées à lS ~LA/cm2 lors de ce cyclage est donné dans le tableau 2.12. n est clair d'après ces résultats que la décroissance observée de la capacité n'est pas liée pour l'esse~tiel à une dégradation du polymère rédox, mais probablement à une ~lgment~tion de la r~sict~nce d'interface entre l'électrolyte polymère et le lithium.
Tableau 2.12 Eissai de décharge à faible courant (15 ~Vcm2) de la batterie durant le cyclage à 1 mA/cm2.
Nombre de cycles 34761 51231 57565 % Uttl. 15 ~A/cm2 76 73 67 ft r~ncé à 100% pour la ~ ;t é au 59ème cycle.
Ceci est confirmé par la diminution du potentiel 2 moyen obtenu lors de la décharge de la batterie au Umin=1 ,6VlUmax=3V
cours du cyclage, comme l'illustre la figure 2.51, 1,9 ~ Ic=ld=1mA/cm2_ celui-ci diminuant - 250 mV après 60000 cycles à
un régime de 1 mA/cm2, ce qui correspond à une o_ résistance de S00 Ohm.cm2, qui correspond t-- 1~8 probablement pour l'essentiel, à l'évolution de l'in~rfa~e entre le lithium et l'électrolyte polymère E 1, 7 -De plus, d'après les réslllt~c du tableau xx, la perte 1, 6 -de capacité après ~ 57000 cycles à un régime de déchargede 1mA/cm2est~35%,soitunepertede 1,5 l l l l l capacité -6.10-4% par cycle, Ce résultat est tout à o 1 o 20 30 40 50 60 " , ~Jo."bre de cycles (en milliers) falt remarquable, surtout consldérant qu 1l s aglt là Figure 2.51 ~volution du pot~i"iel moyen d'un essai de laboratoire pour lequel les différents brs de b decharye de la batterie ~ 1 mA/cm2.

21 9~1 ~7 paramètres ne sont pas contrôlés au mieux, comme par exemple le séchage des m~t~,ri~u~, l'état de surface du lithinm, dont il est bien connu qu'ils influent notablement sur les perform~nces des systèmes éle~ ocl~ liques les intégrants, et parti~;uli~.~,.llenl sur leur durée de vie.

Après l'essai de cyclage à un régime de décharge de 1 mA/cm2, le cyclage s'est poursuivi à un régime de décharge lent de 30 ILAlcm2, le résultat en est donné sur la figure 2.52. Même si la c~u~
dimimle légérement au cours des vingt premier cycles, elle se stabilise par la suite à ~ 60% de la capacité au S9~me cycle jusqu'au 64~me cycle. La diminution du courant de décharge à 15 ~lA/cm2 permet d'améliorer encore l'utilisation de la cathode z 10%.
1 00 ~ 1,2 8 0 e~rl J ~ ~ ~ ml ~, . . l . ~
'' ~ 60~0,8 - ~ o 4 ~ ~ I ic=ld=30~A/cm ¦ Ic=ld=15~A/cm' 0,6 20- ¦Uminx=li56V ~ 0~4 0 1 1 1 1 1 1 0,2 Nombre de cycles Figure 2.52: Essai de cyclage à faible courant après 57500 cycles, %U~ .dlion ,eférencé à Csg.
La figure 2~53 permet de vi.c-~li.cer les courbes de décharge à faible courant de la batterie effectués au cours du cyclage~ Hormis la perte de capacité, l'on n'observe pas d'indice visuel qui traduirait une dégradation majeur du matériau de cathode, et ce même après z 57000 cycles de charge/décharge~
~ 3 - Ic=ld=30~Ucm2 (59,57505) J 2,5 ~ Ic=ld=15~Vcm2 (34761,51231,57565) ~ 1,5 c~l ,~ u) ~

. %Utilisation Figure 2.53: Essai de cyclage à faible courant après 57500 cycles, %Utilisation ~ rt7nc~ à C59.

._ Pour en finir avec cette essai de cyclage, la figure 2.54 donne l'évolution de la densité d'énergie et le cumul de la densité d'énergie pour l'ensemble des cycles effectués. Après ~ 60000 cycles, la densité
d'énergie résiduelle, pour un régime de décharge de 1 mA/cm2, est encore ~ 4 Wh/l. L'él~ment le plus intéressant à noter est la valeur de l'énergie cumulée ~ 450 kWh/l. Comparativement, un élémPnt de batterie au lithium, u tilis~nt un m~t~.ri~u d'insertion comme cathode, effectue rarement plus de 1000 cycles de charge/décharge avec une densité d'énergie moyenne de 100 Wh/l, soit une densité
d'énergie cumulée de 100 kWh/l, il faut noter que ce calcul col.~ond à une ectim~tion haute des pe~ro~ ncPs d'une telle b~tteriP.. Dans ces con~itionc~ la plése"le batterie utilis~nt un polymère rédox stocke 4,5 fois plus d'énergie qu'une batterie au lithium à base de matériau d'insertion.
1 0 0 ~ 5 0 0 , 1 0 _ '/ ~ 300 ~
- 200 ~.
4Wh/ll - 100 o Nombre de cycles (en milliers) Figure 2.54: Densité d'énergie et densité d'énergie cumulée de la batterie.

On définit en général les performances de l'électrode de lithium d'une batterie par son facteur de mérite, exprimé par le rapport de la quantité de charge cumulée. au cours du cyclage relativement à la charge équivalente à la quantité de lithium initi~lemen~ présente dans la b~t~rie Dans le cas présent, ce calcul ne plésente pas de sens, l'électrode de lithium étant épaisse ~100 llm ce qui correspond à
un excès de lithium de l'ordre de 100. Il est plus intéressant de définir le facteur de mérite du polymère rédox qui est particulièrement élevé, puisque d'une valeur ~12000, relativement à la capacité de la première décharge de la batterie.

Ce résultat valide l'hypothèse selon laquelle les espèces électroactives exict~n~ sous forme neutre ou anionique sont compatibles avec la chimie propre aux batteries aux lithium et justifie plein~ment de l'intérêt et de l'étude de cette classe matériaux.

, Dès lors, il est possible d'envisager de développer des batteries dont la cathode serait composée uniquement du mél~nge d'un polyimide avec des grains de carbone, pour réaliser soit des batteries de pl~iss~nce~ des batteries stationnaires pour la gestion d'un réseau électrique, ou des batteries de secours par exemple.

i.

Par exemple, la figure 2.55 présente la densité d'énergie volumique d'une batterie ~ltilic~nt un poly(benzodiimide-co-oxyde d'éthylène) comme n ~té uq-- de cathode, en supposant une épaisseul de cathode fixe de 5011m, d'électrolyte de 20~Lm, de collecteurs en aluminium de 1611m, et une épaisseur de lithium correspondant à trois fois l'excès relativement à la cqp~cité de la cathode. De plus, l'on considère que la cathode travaille sur deux électrons avec un potentiel moyen de 2 Volts.

1 2 0 --\
~" 1 0 0 - \ -c 80--~7 ~

._ Masse de la Jeffamine Figure 2.55: Densité d'~nergie volumique en foncthn de la masse de la Jeffamine.
Le calcul est effectué pour une masse de Jeffamine comprise entre 400 et 1000, une masse de 400 permettant encore d'obtenir un polymère soluble dans les solvants organiques, tels l'acétone, l'acétonitrile, ou le THF par exemple, et d'obtenir ainsi des cathodes homogènes. Le résultat obtenu est une approximation, proche de la réalité, puisqu'il n'est pas tenu compte de la présence de carbone dans la composite, ni de la masse de sel de lithium dissout dans le polyimide.

Il est ainsi possible d'obtenir une densité d'énergie volumique de 100 Wh/l, pour un film de batterie, en utilisant une Jeffamine d'une masse -540. Dans ce cas, la fraction de segments solvatants représente encore 74% en poids du matériau, et 83% de sa fraction volumique, ce qui permet d'envisager d'obtenir une conductivité ionique proche de celle obtenue pour le POE dans un état amorphe. Cette densité d'énergie est certes inférieur d'un facteur deux à celle pour une batterie utilisant un matériau d'insertion, mais ce désavantage peut-être compensé par la durée de vie de la batterie. En fait, l'intérêt d'une telle batterie est dépendante de l'application envisagée.

En particulier, il est difficile de concevoir la réalisation d'un véhicule électrique avec une telle batterie, la densité d'énergie étant incllffic~nte pour garantir une ~-tonomie appréci~q~ble~ Par contre, dans le cas d'un véhicule hybride, le besoin en énergie fourni par les b~tteries étant dix fois moindre (Cf II-3 ~1, tableau 2.10), et la pnics~nce l-~Sce~s~i.t; plus importante, il est possible que de telles batteries p.~3e.l~
un intérêt tout particulier. Enfin, une durée de vie impol~-le est le para nètre p,;nr;p~ql~ à envisager pour les systèmes de batteries stationnaires, tels les onduleurs, ou les centrales d'accumulateurs ~- 21 941 27 dis~,~,s~es servant au stockage des pointes de courant des réseaux électriques, par exemple, pour lesquels il est plus judicieux de r~i~onn.o,r en terme d'énergie cumulée.

21 941 ~1 II-3-5 Applications aux vitrages électrochromes:
Polyin~ide-Polyether Mixed Conductors As Switchable Materials For Electrochromic Devices i C. Michot, D. Baril and M. Armand.

Laboru~ d'lonique et d'Ele~ chi~ue d~ Solide ENSEEG Ins~inlt Na~ional Polytechnique de Grenoble Domaine Universitaire, B.P. 75, 38402 Saint-Mar~in d'Hères, France.
1 - Introduction:
Electrochromism is under active scrutiny by both the scientific and industrial communities. The principle of ch~nging the coloration of a material by an elec~ ...ic~l reaction was origin~lly studied for applications in displays for the watch industry tl], but extrapolation to the video r~erlce (~25 Hz renewal) soon appeared elusive. The main en~ph~cic is now on visible light and IR modnl~tion for windows in bnildingc and glare attenuation in rear view mirrors for automobiles tl-5] For the former application, the response time can be much longer and there is anyhow a compromise bel~ ,n the thickness, thus conductance, of the ITO or similar conductor destined to ensure a uniform potential distribution across the whole surface and the tr~ncmi.ssion of visible light in the bleached state. While elegant all thin-film systems obtained using various deposition technologies (sputtering, CVD...) have been shown to be feasible [7,8], many technical difficulties may arise when dealing with large surfaces. A plastic solid electrolyte is desirable for systems which then can be lamin~ted. Though, the pursuit of high conductivities with gelled systems, i.e. a solvent thir~Pned by a small fraction of high polymer may still result in the long term to viscous flow and creep for systems operating in the vertical position.
As electrochromic materials, transition metal oxides have the favor of many research groups, especially WO3 due to its high coloration efficiency and (relative) stability at pHs < 3 or in aprotic systems. This is in fact returning to the first m~tenal for which electrochromism was described t9].
Photochromism may however play a deleterious role when this semi-conductor is under illumination [10] Conjugated polymers offer in principle more opportunities for tuning the adsorption in the desired spectral domain and several, like poly(aniline) and poly(thiophene), are straightforwardly obtained as adherent films by electropolymerization [11] However, their cycle life is presently limited. A possible explanation for the lack of stability is the fragility of the positively charged moieties which are formed upon "p" doping and are very se"silive to nucleophiles. Such basic species are created in the electrolyte by electrochemical side reactions, including hydrogen evolution from trace water which locally creates OH- speciP-s On the other hand, polyimides are widely used in the electronic industry for their thermal stability, in~ln~ling high Tg's and in~nl~ting plupellies, all p~pellies dependent upon the use of rigid aromatic subunits in the backbone. It came as a surprise when these m~teri~lc were reported to become electronically conducting upon electrochemic~l reduction, owing to the relatively large electron affinity of the imide group [12-14] There is however no eYten~ion of the conjugation beyond these centers, and the conductivity results from electron hoping ~Iween neighboring moi~ptips~ RPS;deS, the diffusion of the required charge-con~ c~ting ionic species (cations) is excee-iingly slow in the ~bsPnc e of a solvent acdng as swelling agent or p~ ;c;7f,~. To O~ ;GIllC thi~s riiffi~ulty, a new family of mixed-conduclivily co-polymer in which imide redox-active groups are separated by solvadng PEO blocks have been de~igne~ (iiffering from the already described PEO-based nelwoll~ bearing .

2194i27 "
pendent redox groups like ferrocene and phenothi~ine [15]. In the following, the preparation, electr~hPmic~l and optica~ p,~ ies of these novel m~tPri~lS are des~ibe-l 2 ~ Experimental:
2.1 ~ Synth~sic:
The polymers were pl~,pa~d by polycond~nQ~tion reaction b~,~2~n~ t_t~d~Aylic dianhydride of a,c~-diamino oligopolyethers with various aromatic bis(cyclic anhydrides). The later whose formula is depicted inFig. 1 wereobtained from commercialsources (Aldrich, ~ ~
Fluka), together with LiC104, with the highest available naph -'enetetracarboxylicdianhydride purity and were used as received. Samples of Li(CF3SO2)2N (LiTFSI) were given by Hydro-Québec c ~
(Canada). ~ ~O
O,O'-Bis(2-aminopropyl)polyethylene glycols:
perylene t~t~dcdll~A~ dianhydride H2NCH(CH3)CH2[0CH2CH2]nOCH2CH(CH3)NH2 3_~~
with central PEO sequence of l~IW 500, 800 and 1900 (JeffaminesZD ED 600, ED 900 & ED 2000 resp.) hereafter referred as J-600, J-900 and J-2000 were a generous gift benZOpl~enOnet~lldcdll~uAylicdlanhydnde from Texaco-France. ~ _~
'Samples of O,O'-Bis(3-aminopropyl)poly(THF) were c 1~ ' ~L~,~
simil~rly don~ted by BASF (~w 750, 1100). Prior to the c o polycondensation reaction, the oligomers were dehydrated Fig. 1: dcvel~ped fonmulae of the starting by bubbling anhydrous argon for two hours while kept at bisanhydrides used as precursors for the 80 C. The amino functionality numbers were obtained by pr~pdjdtion o.f poly;.,, 'e s The corres-acid-base titration in water. Solvents (HPLC or anhydrous B, N, P 8 BZO respectively.
grade) from SDS were kept on activated neutral alumina granules. All h~ndling of oxygen- or moisture-sensitive m~leri~lc was done in a dry box (< lvpm ~2, H20).
2.2 - Polymer characterization:
The GPC analysis was performed on a Waters 590 GPC, through two lOOA UltrastyragelB~
columns. A Netzsch STA 409 differential sc~nning calorimeter (DSC) was used to determine the glass transition temperatures Tg, and the m~l~ing points Tm. Thermograms were recorded at a rate of 10~C.mn-1 in helium. Each sample was first quçn~hed to -100~C and then heated to 150~C, allowed to cool and at last heated again to 150~C.
The thermal stability range was investig~t~od by heating the sample in air at the rate of 10~C.mn-l from room Llllpe.a~ul~ up to 400~C.
The optical absorbance spectra were recorded on a Perkin-Elmer (Lambda 7) UV-visible s~ec~u~
2.3-Ele.;tloçl.~..;c~l char~ .;7~;on:
Conductivity ûf films samples were sandwiched bet~n s~inless-steel electrodes. AC conductivity measu G...ents were carried out under dynamic va~;uulll using a HP 4192A impedance analyzer, from room temperature up to 110~C, over the rlG~lu~ncy range S Hz - 13 MHz .
The redox plupellies were tested by cyclovoltAmmet-y- using a computer-controlled microelectrode (0 either 25 or 125 ~lm) set-up built in the laboratory with a resolution of 1 pA . The cell comprised the c~ f ~;r~l chain:
Li / PE0-Li+TFSI- (C104-) / Pt microelectrode (TFSI- = (CF3S02)2N-)-el)~, ultra slow-scan vQ~ y (MacPile~19) was used with 2 cm2 button cells:
Li / PE0-Li+TFSI- / redox polymer / stAinless steel In both cases, the redox polymers were used in thick films (~50~Lm). For the button cell ex~. ;.~PntC, the theoretical capacity could be c~qrlculqted from the weight of the sample and, otherwise specified, 5% v/v carbon black was added.
No attempt was made to use electrolytes other than linear PE0 to reduce the operating temperature [15].
3 - Results and .liecns~;on:
3.1 - Synthesis and characterization:
The formation of imide linkage from reaction of a primary amine group on a cyclic anhydride is known to proceed in two steps via an interrnerli~qte amic acid (Fig. 2).
O

H\ ~OH !~
O + N~ _ _ H20 + ~l~r H~ H Y~
O O
Fig. 2: reaction scheme for the formation of the imide linkage from a cyclic anhydride and a primary amine group.
In the case of the polyethers used as soft segment~s, the reaction of stoichiometric quantities of ~IiAmine and dianhydride in a common solvent proceeds readily at room tempeli,l,.~ to the polyamic in~erme~iAte; cyclisation is achieved chemically with the well known acetic anhydride/pyridine mixture. More simply, heating of the neat components at 200~C achieves similar result. We also found recently that Dean-Stark azeotropic rlistillq,tion in toluene cleanly and rapidly yields the polymers from the simple mixture of the starting ingredientc In all cases, precipitation into diethyl ether from the reaction medium yields the solid polymers. pllrifieqtion can be $imilArly accomplished by dissolution in dichloromçthAne or acetonitrile and pf~cip;~tion with ether. The appeq--,qnce and concict~nre of the materials varies widely depending upon polyether segment length, from waxy semi-crystalline mq~eriq1 (JçrrAt~ e 2000, poly(FHF)) to amorphous and l~spa~e,-l (Jeffqmine 600 and 900). Similarly, the imide segment imposes its color (benzene: colorless; narht~len~: light yellow-brown; perylene: dark red).
GPC of the materials in THF indicates molecular weight close to 2.104 and a broad distribution cpe.~;~y ~ 2) as e~l)ected from a polycon~en~qtion reacdon.

21941~7 The DSC traces, with some shown in Fig. 3 indicate ~ 31O ~T/at=5~Cmn~
that all m~~ s made from Jeffamine'~9 ED 600 or ~ ~ B/J 600ED 900 which are both molten at room leM~Iatu~
yield amorphous polymers ~ ~ N / J- 900 e~hibiting well detect~lDle ~ -~
Tg's. With Jeffamine0 ~ ~ ~30o ED 2000, an endothermic ~ P /J- 2000 event is detected at 30~C, ~ ~ no reflecting the crystallinity of the starting materials.
These results are to be ex- '' B / PP~ 400 pected when considering a st~tictir~l(butnon-random) 1Illllllllllll llll~ lllllll~ll llllll lllll lllll lllll distribution of crystallinity- -100 -50 o 50 100 150 breaking aromatic groups t~r"~-e,dture along the PEO chains [17]. Fig. 3: DSC traces for some polyconden n polymers.
The poly(THF) samples showed a similar trend and PPO-co~ining polymers were completely amorphous -as expected-.
0.1 ~ Under helium, no significant weight loss is ,~ apparent up to 300~C on thermogravimetric B-J900 f analysis, temperature beyond which the aliphatic polyether segm~onts decomposes.
0.05~
3.2 - Electrochemir~l characle~ ion:
J In the neutral state the solvating power of the E 0~, ~_ polyether segment is kept, as expected. All the r , materials prepared could form complexes with low lattice energy salts like LiCl04 or Li(CF3SO2)2N.
Conductivities were found to be comparable with 005 _ \ I I _ those of conventional amorphous polymer V ¦ electrolytes with ~10-5 S.cm-1 at or slightly J above room temperature. The melting point of the materials containing semi-crystalline J-2000 -0.1 segments was no longer visible at EO/Li = 8 to 12 1.6 1.8 2 2.2 2.4 ratio as seen on DSC traces.
Volts vs Li+/ Li~ All materials tested showed redox activity. The Fig. 4: sbw scan (~ i o9~ "",~t"~ scan of slow scan voltammogram for benzenetetracarboxylic acid di-imide co-Jeff~mine 900 (B-benzene t~lla~.ln,Ayllc-Jeffamme ED 900 polymer; scan rate = 84 mV/h, T = 80OC. J 900) is shown on Fig. 4; two well defined reversible l-electron reduction / oxidation waves are app~,nt on the forward and reverse scans. The quantity of charge passed co.l~,sponds to the entire theoretical capacity, suggesting an effirien~ clccl.~n hopping mech~l-is... between the relatively distant sites.
N~pht~lene and perylene-based polymers behave simil~rly, with a ~nr~ency for the two l-electron waves to merge into a broader l-electron one, especi~lly appa~nt for the highly delocalized perylene moiety. This is shown on the C.V. scans obtained on Pt microelectrode on Pig. 5. It is notewo~ y that the much faster scans of the microelectrode may also result in smaller peak sep~ ;on This is to be brought together with the example of caroviologenes [18] where the two pyri~inillm rings are separated by conjugated -(CH=CH)o- spacers, showing a t~n(lency low~ds displ.,pol~ionation of the intenne~i~te radical species into neutral and di~tionic forms with increasing conjugation length n. Perylene does howe.er sustain larger current il.t~ .C;I;l'c o.q.,.,.,~
~ N-J 900 P-J 900 l~\

-0.3 ~ ' ~ ' ~ ' ~ ' ' ' ' ' 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2 3.4 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2 E / V vs. Li+/Li~
Fig. 5: microele~,t,. de cyclovoltammetry traces using Pt microelecl,ode (0 = 25 llm) for naphtalene and perylene - Jeffamine 900 copoly-.-t:-~ (a: N-J 900; b: P-J 900); T = 80 oc, LiC104, O/Li = 9/1 .
PPO or Poly(THF)-based mate-rials equally showed redox activity 8 at comparable potentials, with a tendency for peaks to become 6 .
broader. This behavior is tenta- : / ~
tively attributed to the lower ionic 4 - / ~--_ conductivity of the base polyether. ~z : / ,~
Besides, their weaker solvating 3 - ~/
propel lies, as compared with PEO, c O f may result in saltdepletion to the , : / ¦
advantage of PEO when the latter ~ -2 . ~
is used as electrolyte. Similarly, 4 - / ¦ _ the benzophenone-based polymer : / ¦
where the conjugation of the redox -6 . L_ I ~
molecule is less pronounced than for the others, is reduced at less -8 negative potentials and the scans 1 ~5 2 2,5 3 3,5 showmediocrereversibility. E vS. Li/Li (Volts),~. . . Fig. 6: slow scan (MacPile~E9) voltammetry traces of ben~ene tetra-Strong ln lc~tlon for the eY~s~llce carboxylic dianhydride - Jeffamine 900 copolymer without carbon;
of a mixed conductivity, i.e. the T = 80 ~C, LiTFSI, O/Li = 20/1, scan rate = 10 mWh.
mobility of both ions and electrons .

in the reduced states is given when the volt~mmetry scans are performed in the absence of carbon black additive; while the shape of the traces, as shown in Fig.6, are distorted, the reduction being observed at more negadve potentials with an abrupt rise in current corresponding to the onset of electronic con~luc!;vily, reversibility and total av~ ility of the redox sites spread over the 4511m of the film, is m~int~in~A

20 - ' ' ' ' I ' ' ' ' I ' ' ' ' I ' ' ' ' We found interesting the result from the a' electrochemical screening of a 15- b,;~/ ~ copolymer in which three of the aromatic moieties having shown to 10 - behave reversibly (B, N & P) were c~ / ~ _ co-ir,col~,o.dted in the same backbone of J-900 polyether as shown in Fig 7.
~ ~ Again, the electrochemical activity of ~ 5 ~ each component of the copolymer is - c \ / preserved, the first wave being -10 . \f\/ - attributed to P and N (first electron a, b a') the second (b,b') to a combination 2 2 3 of the N second electron and B first ~ ~5 . 3-5 electron. The last reduction step is in c, Volts vs Li+ / Ll~ c' for the B moieties. Electron mediat-Fig.7:Slowscan(MacFi'e~)v~"- "",~ ytracesofbenzene, ion throughout the system obviously naphtalene and perylene tetracarboxylic dianhydride- occurs, as in such copolymer each Jeffamine 900 copolymers; T - 80 ~C, LiTFSI, individual entity B, N, P, is now highly diluted in the PEO matrlx.
3.3 - Optical plupellies:
In the reduced state, all polyimides showed intense color changes. The water solubility of the longer chains PEO allowed a simple color test using sodium dithionite as reducing agent in carbonate-buffered solution. The results are summarized in table l.
aromatic ring neutral state colorless yellow-brown ceep red reduced state greenish blue deep purple-brown ~eep purple Table 1: color ~;l~nges induced upon S2O42- re~lu ~-~n of water solution of poly:." ~e s The UV/visible absol~lion spectra for ben~ne and n~rht~ ne derivatives in water solution are shown in Fig. 8. The concentration was chosen to give the equivalent of a ~1.2 llm thick layer of dry polymer, a reasonable value for an electrochromic device.
The molar absoll,allces were c~tc~ ted in the visible region (~g = 26500 mole-l.l.cm-l at 545 nm;
f ~N = 15200 mole~l.l.cm~l at 545 nm). In addition, the colors obtained by combining the two aromatic molecules were found to be compl~mPnt~ry: either a Illib~lUle of the B and N homopolymers, or their copolymers resulted in a neutral brown hue.

.
2~5 1 ~5 ._ 1' 0~5~
o r ~~

~ Wave number (nm) hg. 8: abso,Ldnces vs. Iight wave length for benzene and na~l ' na derivatives of Jeffamine 900. Data were r~o.Jed in water solution at a conc~rltldtion of 0.1 mg.cm-3 using excess Na2S2O4 as reducing agent with addition of Na2CO3 as buffer.
4- Conclusions:
The polyimides described here are members of a new and broad family of redox-active polymers.
Both the intrinsic properties of the starting polyether (ion conduction) and of the bis(imide) moieties (redox center) are kept in the block a~hilr.;l.~c; obtained from polycon~len.c~ti~ n All the redox centers in such materials are readily acceccihle irrespective of the polyether spacer length, suggesting both a fast electron-exchange mech~nism between anion radicals and a tendency for self ~cspmhly (ct~lring) of the planar aromatic groups. This type of chemistry allows for easy manipulation of the polymers, including simple copolymers obtained by from mixtures of either the anhydrides or the starting amines. Similarly, groups allowing for further crosclinkin~ can be incorporated.
Though no test on actual windows were made, the relatively high ~ values should translate into good coloration efficiencies. The stability of the radical anions formed during reductdon was found excellent, as shown in battery tests to be reported elsewhere. Under similar conditions, polymers incorporating viologen moietdes performed poorly.
These materials appears as promising c:~n~ es for electrochromic devices, the ease of casdng thin films on transparent conducting glass or plastdc substrate being an obvious advantage. Work is in progress for redox polymers showing redox activity upon oxi(~ti~n.

Acknowledgments:
. All the authors are indebted to Hydro-Quebec for fin~nci~l support of this work and one of us (C.M.) for partial fellowship from CNRS. We are grateful to F. Dervaux from Texaco-France for the Jeff~mine samples and useful information relative to these m~ri~ls. We thank P. Mailley and L. Burel for l~cording the absol~ ce spectra.

~1 941 27 Les nouveaux anions developpés introduit dans le docu~ ,nt pr~cité sont des anions stables de faiblcs b~Ci~it~s perfluor~s ou non dont le coût est a priori moindre que ceux actuellement udlisé~.
Le ~locun~ent dc thèse fait r~f~,cncc à plusieurs famille~ d'anions d~local~ peu basiques décrit ci-dessous.

Famille d'anions:
a) Le~ anions basés sur les tiverses chtmie de substitution de~ perfluorom~thanesulfonamide (RFS02NH2), ou ~ventuellement polyalcoxysulfor ~nide (RFCH20SO~NH2), dont un exemple est dc nné ci-Jessvus;
RFS~2NH2 ~ Base I YSO2X 3 RFSO2NHSO2Y
~ R~ ~p Cscntdnt gén~ralement un g~u~,c.nent pe.lluor~ du type (cn~2n+l)~
~ X repr6sentant un électrofuge approprié (halogéne, imid ~ole. ..,) ~ Y pouvant ~tre un groupe foncdonncl de quelque nature que ce soit et plus partic~ rc.lJellt - un ~,lo.,pe~ n~ organique alkyle ou aUcènyle, aryle, aL~yl-aryle ou alkényl-aryle, contenant ou non des subst;~ ts OXA OU aza, slmplc ou perhAlogén6. Comme eA~ plc pa~lculier citons le~ déri~és obtenus à partlr des haloO~nules de sulfonyle~ du poly~ ènc~
- un halogène - un pse~do~ ogène, c'est à dire un radical el~ih. P~dcte~-l monovalent tel que OCP3 - un ~vupe''lcnt alcoxy, ~vinyloxy ou dialkylamino, diQlkèny1Amino.
- un ~ Juycnlc,nt chir~l.
Le~ g-~upc-~e~s contenant des insaturations comme par exemple les styr~nes, actylnte~, les éther~
~inyliques, les allyles, vinyle~,.,. sont pardculi~r~nlo~t adapt~s à l'obtention de polyéIectrolytes ou à lcurs incG~ .s à un réscau n Rr ~ loléculaire par tout mode de liaison chimique pc.~ ant de fonner un réseau ~ ,nol~culaire.

-L'on peut aussi conci~-er les chimie~ deri~r~nt de 1~ ré~c~ion des sels de perfluoroslllfinates comme par e7cemple les pc.lluor~ tfinates de sodium (RFS02Na) sur leg chlomres dc sulfon~mide du type YSOzNHCl. Y étant défini comn~e prtScé~ nt.
Cette chimie s'~étend de hcto à celle d'aut~c~ flnion~ nucléophileg pcrfluor~s oo non, dont le malononitrile (CH2(CN)2) ou la cy~n~m;de (H2NCN) en sont des exemples ~eprésentatifs sur des prvduits tels que décrit Ci~ 5S~ , Y se ~tSfin issant avec la m~me généralité que p~c~den~-nent.
YSO2CHC(CN)2 YS02NHCN YCOCH(CN)2 YCONHCN
b) Les anio~s cycliques dérivants de la famille des acides barbituliques de formule gén~rale:

Yt~ 'Z'''N ,Y2 O~c~x~''o ~ Z repr~sent~nt un ~grouQel--ent carbonyle (-CO-) ou sulfonyle (-SO2)-.
~ X r~pr~Sc~nt un groupement -CH(RW)- ou un groupement -NH-. Le groupement R pouvant être~ rien, un carbon~,rle ou un suIfonyle et W se d~f~nissdnt lui-même co~me - un groupement organiquc ~Ikyle ou alkènyle, aryle, alkyl-aryle ou alkényl-aryl, contenant ou non des substitutuants oxa ou aza, simple o~l perhalogéné.
- un halogène - un pse~ oh~lQgène, c'est à dire un radical éleclroat~racteur monov~lellt tel quc CN, NO2, SCN, OCF3, SCE'3,...
- un ~,~ou~l~lent alcox~ Inyloxy ou dialkylamino, dialkènylamino.
~ Yl, Y2 idendques ou différents represe~tfln~ essentiellement un gl~upement orgAniquo, alkyle ou alkényle aLlcyl-aryle, contenant ou non des substitutuants oxa ou aza, simplc ou perhalog~né.
Citons plus pRrticulièrement les groupements CF3C~12, ou Ie~ groupen-ent~ pol~m6risables ou réticulables allyles. vinyle5, CH~~CH20(CH2)n-c) Les anions h~t~.oc~cliqucs de fonnule générale~

~1~2 Z5~z3 Z représentant soit Un atome d'azote ~N, goit un radical ~CY, un groupe-l,ent ~S~=O)Q ou =PQ'Q":

; .:

-Q, Q'et Q" identiques ou différents ~e~résentant:
- Un ~srollpcn~ent organique alkyle ou alkènyle, aryle, alkyl-aryle ou alkényl-aryl, co~lt~-n~nt ou non des substinl~n~s oxa ou aza, simple ou perhalogéné, en particulier pçrfll~oré de type Rp~
~prCsu~ t - un gro~ nel t Q
- un halogène P, ~1, Br - un pseudo-halogène, c'est à dire une rfldical <~lec~oat~.ac~ r monovalent tel que CN, SCN, N3, CE'3, OCP3, 0CnE~2n~1j OC2E74H.
SC~3, SCnP2n+1, SC2F4H. ...
- un ~5~uupe.n~nt XC~ ou XSO2 dans lesquels X ,t;p-~sente soit un atome de fluor, un groupemellt Q, un gro~,pe.l.en~ alcoxy, vinyloxy ou dialkylamino, diaL~cènyl an~o.
Les ~-uupeQ~ent Q ou X pouvant êtrc incGryo~és à une trame polymèriquc, en particulier par ouverture de doubk~ on< contenues dans X ou Q, soit par tout autre mode de liaison chimique pc~.l.etl~nt la f~ ~ion d'un r~se~u ~l~fi.,-oll)c~léc~.laire.
Dcux ~3~ Y ~ .,n~ de plus faire partie d'un cyclc inco.l.ul~nt de 4 à 8 atomes de calbone, ou de hCI~rc~rcles contcnant les ~ n-~ O, N~ S. Ce cycle peut à son tour poss~der de~
substituants sur lcs sites libres du rnême type que ceu~ d~crits pr~c~dç ~me!~ (halogène, pseudo-halûg~ne, Q. RF. un grûupcmcnt XCO ou X~02, ou faire partie intégrante d'une trame poly-m~rique~.
l:)ans te cas ou seul~ un ou deux atomes d'azote sont presents dan~ le cycle, il est nécéss~ire, pour obtenir de bonnes conductivités, que les groupe~slents CY complétant le cycle contiennen~ au moin~
deux g,oupe.~n~ fc"~ement alt-~c~c~ ,s d'électrons, en palticulier, Cl, CN ou CP3 ou OCF3. Il a en ef~et été montré par Wright et a1.(Solid-Sate Tonic~ 1993) que la conductl~ité des sels de sodium dérivés de l'in~ ,ol~ ou du b~n7;lni~1~7ole dissous dan~ le poly(oxyde d'ethylène) était uès faible.
notnalne d'nppllcntlon:
Considérons Ic~ composés ioniques de formule g~n~rales M~X~ an8 ces matériaux M~ peut représenter par exemple les cations: H', (Li+. ~a+, K~, ~g~, Ca'~ a+~,...), ou un cation organ~que tel un a,..,llon;-,l,., un ~mi~inium~ un gu?ni~linium, un pyridinium, un nitrosyle, un sulfonium. un phosphonium, un iodonium".. ces exemples ne sont pas 1~mi~;fc et ~'inscrivent dans la genéralit6. Pour sa p~rt l'anion X- tel que decri~ p~c~e~ f ~t posséde une charge négative lisée pe.-n~ltant ainsi dc former des sels M+X- de faible énergie rétirul~ire~
Ces con~posh ioniqucs ont des applic~tions dans plusieurs domaines essenl;çllç~erlt en tant que solutés électrolydques. Pam~is ces domaines citons:
~ Les syst~.nes é-lectrochimique~ tels les batterie~ ou supercapacités pour le stockage dc l'énergie élce~ uc, ainsi que tes ~o~:(;f~ ~lect~ r~.nes pe~ nr de mo~ er ta lumière. Les solution~
électrolydques utilis6es dans ces doln~ines peuvent 8tre obtenus par ~en~rl~ par dissoluffon d'un sel M~X- dans un liquide protique ou apro~ique, ou un polymère sot~Jatant ainsi que leur~ mélanges ,: :

pour fonne~ par extension des gel~ en u~ilis~n~ les combinaisons adcquates pour ce faire.
~Icndonnons également la possibilit~ d'obtenir des scls fondus, en u~i1i59r~ les combinaisons ad~quates pour ce faire, par exemple prodquc dans le cas des mélangcs binaires des sel~
d'imidazolium de X- et d'i~ a7Qle ou aprotlque par exemple dans le cas des sels d'alkyles in~id~.olium de X- ainsi que leur~ n~élange~ Avec des liquides ou des polymères.
Le~ polym~res conducteurs ~ ~niqucs dont la conductivité est obtenue par dopage dit "p", c'est dire par oxydation de la trame macromol~culaire et insertion d'anions X- dans le résea~l. A titre d'exemple l'on pc-lt citer le~ déri~lrés de la famille des polypyroles, polythiophéne~, ou de la polyanilines, Dans ce cadre~, il est a~antageux de pouvoir uti1iser les sels M~X~ comm~ source d'ion~ X- dans des solution~ 61ectrolytiques au cours de la synthase de ces m~-~r~ Y, ou de faire appel à des agents OAYdd~lS chimique~ la polyn~is~ior des ~~onv~ s et le dopage du polymère ainsi obtenu où Ic dopa~ge sur le pdymèrc d6jà. p~tpare s~par~ ent par une autre m6thode.
~ Lcs polyn~ tiQns ca!:o~ u~s de poly,.~es r~ches en ~lectrons comme les ~poxydes ou ~c~
éthers vinyliques, les aziridine~, le~ vinyls P.ni~es, I'isobulylènc. certains hydfoc~bu~e3. Les acides HX peuvent être dcs catalyseurs de ce mode de polymérlsation soit sous forme libre, soi~
.SOIIS fonne latente comme des sels d'~~ .onlulll ou de pyr~ nillm ~usceptibles de lib~rer ces ac~des par chauffage ainsi quc sou~ la forme de sels M+X-, M~ représentant par exemple un trlaryl sulfonillm ou un diaryl iodonium ~usceplible de libérer les acides HX sous l'effet d'une r~ or~
~ctinique.
~ La catalysc dcs réacdons de ch3mle organique par l'utilisation de cat~ons .qcdfs dans cette application comme le lanth~ne, I'aluminium, les terres rare~,...

:;

2 1 ~ 4 1 2 7 CONCLUSIONS

A l'origine, le présent travail visait à l'étude des cap~;l~s utilic~nt le phénomène de double couche éle.;lrocl~,~llique se développant à la surface de carbone de grande surface spécifique, ces composants relativement anciens largement utilisés en électronique, par exemple pour la sauvegarde des mémoires d'ordinateurs, étant considérés depuis quelques années comme sources d'énergie de plliC~c~nce pour diverses appli~tiom à l'éle~;l.o~cl~ ue.

Pour tenter d'améliorer les performances des systèmes actuels, il est apparu judicieux de greffer de courts segments polymères à la surface de grains de carbone, afin de favoriser l'échange ionique entre l'électrolyte et la surface du grain, et d'autre part de faciliter la dispersion des grains dans la matrice polymère. Les résultats obtenus montrent qu'une dispersion de ces carbones dans du poly(oxyde d'éthylène) permet d'atteindre une capacité en accord avec la surface géométrique des grains de carbone, ce qui est somme toute un résultat prometteur. Cependant, il faut juger ce résultat relativement aux nombreuses études à caractères industriellps en cours actu~qll.om~nt, qui en selllPm~n~
quelques années ont permis de faire des progrès importants sur les performances de ces composants tant du point de vue de leur Cdpa~ énergétique, que de leur technologie de fabrication.

D~s lors, I'objectif initial de ce travail se justifiait moins, à la fois d'un point de vue fondamental et pratique, de par la difficulté d'atteindre les résultats déjà obtenus sur des prototypes industrielles, et par l'incapacité de se lancer dans une étude à caractère technologique au niveau du laboratoire. De plus, il est intéressant de souligner qu'il n'existe pas une nécescit~ de développer ces capacités en milieu tout solide, contrairement aux batteries au lithium à électrolyte polymère, les systèmes u~ilic~nts des électrolytes liquides ayant parfaitement fait leur preuve avec des durées de vie de plus de 100 000 cycles, tant aussi bien pour les composants commercialisés depuis une vingtaine d'années pour l'électronique, que pour les prototypes actuellement développés et testés dans le cadre des recherches sur les composants de puissance pour les véhicules électriques. Cependant, il reste certainement à approfondir l'étude des électrolytes gélifiés pour optimiser les performances de ces composants.

En définitive, il a semblé plus raisonnable de réorienter le présent travail dans une optique plus prospective concel.lant différents ~l~mentc. composants les sy~t~mes électrochillliques de stockage de l'énergie, et plus particulièrement les batteries à électrolytes polymères.

Ainsi le p~ lier pale d'intérêt de cette étude est le domaine des électrolytes polymères, tant aussi bien pour les conducteurs protoniques que pour les conducteurs alr~lin~ L'étude sur les conducteurs protoniques motivée par la conduction g~n~r~lempnt élevée de ceux-ci, en vue de réali~r des sources d'énergie de fortes puics~nce~ a permis d'obtenir des électrolytes polymères protoniques basés sur le m~l~n~e d'un sel fondu avec une m~trice de poly(oxyde d'éthylène). Ces sels fondus basés sur le dopage par un acide fort de l'imidazole ne sont qu'un des exemples de tels électrolytes dont le plincipe est proche des m~c~nism~s de conduclivi~é du proton dans les ~y;~Lèmes biologiques. Les électrolytes polymères étudiés dans ce cadre sont açtllPllPment les conducleul~ protoniques anhydres présentant les meilleures rés~llt~t~ en termes de conduclivilés, et ce particuli~re.,lcnt à basse ~lllpélalu~e~ une conduclivité de 10-5 Ohm~l.cm-l étant obtenue à -20~C dans le mPillPllr cas.

Les conduc~eur~ alcalins présentent un intérêt pratique indéniahle pour le développement de systèmes électrochimiques en films minces, et plus particulièrement de batteries au lithium Le poly(oxyde d'éthylène) ou ses dérivés étant actuellPment ~econnu comme le meillPur choix de solvant polymère pour une telle application, le point essentiel restant à améliorer conce.lle la chimie propre aux anions qui constitue les sels de lithium utilisés dans l'électrolyte; les anions actuellPm~nt utilisés dérivants pour la plupart de la chimie du fluor dont le coût est relativement élevé pour l'application envisagée.
Une analyse des données physico-chimiques sur l'acidité et la stabilité de différents anions a permis de définir des critères relativement simples permettant d'aboutir à des sels dissociés et peu oxydables dans les solvants aprotiques dipolaires, et particulièrement les solvants polymères. Il a ainsi été
possible d'identifier différentes familles d'anions répondant à ces critères, dont l'on a pu confirmer l'intérêt par la mesure de leur conductivité dans le poly(oxyde d'éthylène), et surtout de montrer qu'il existait probablement des substituts non fluorés ou reposant sur une chimie du fluor facilement a~cPscihle aux sels actuPIlPmPnt utilisés, et donc d'un coût subst~ntiPll~nPnt moindre.

La deuxième partie de ce travail s'est intéressée à l'étude des polymères à conduction mixte. Le greffage de segments polymères à la surface de carbone développé pour les capacités n'est pas dénué
d'intérêt dans ce cadre, puisque directement transposable aux batteries au lithium à électrolyte polymère, la réaction d'insertion dans leur cathode nécessi~nt un transport homogène des ions et des électrons, or, ces carbones permettent de localiser au niveau nanoscopique une conduction électronique et une conduction ionique.

L'étude des polymères à conduction mixte a aussi été étendu au copolymère composé d'une espèce électroactive et d'un segment de polymère solvatant, et plus pardculi~.ll~,nl aux polyimides obtenus à partir de dianhydrides de molécules aromatiques avec des sc~-llents de poly(oxyde d'éthylène) min~s, dont l'étude a été initié aupaldvdnt au labolatoil~. n a été montré que l'on pouvait étendre les choix possibles de noyaux aromadques, mais que la synthèse ou la réversibilitP éle~;lr~ ;...ique de certains d'entre-eux pouvait être remis en cause. Par contre, les essais plus poussés sur le poly(benzodiimide-co-oxyde d'éthylène) montre tout l'intérêt de cette famille de matériaux pour i .' l~ ~

_ améliorer la cinétique d'insertion du lithium dans les mat~riallx d'insertion, en permettant d'effectuer une catalyse du transport électronique de façon homogène à leur surface, et permet d'espérer d'importantes applications de ces m~téria~x dans les b~tteries à électrolytes polymères. Mais le résultat à notre avis le plus intéressant est d'avoir pu montrer l'exceptionnelle stabilité de ces polyimides en tant que m~téri~u de cathode lors d'un essai de cyclage de longue durée. Ce résultat co,-rir...e la n~ceSsité de s'in~.ess~r plus particuL;~ au~ espèces rédox compati~les avec la chimie basique propre aux batteries au lithillm D'autre part, la durée de vie de ce~s mat~ri~llY et les performance~s, tant en terme de densité d'énergie que de pllicc~nce~ que l'on peut e~ -er pour des batteries ~ltilic~ntc de telles mat~r~ x montre qu'il est possible d'envisager le développement soit de b~tteries au lithium de puics~nce qui sont en fait un él~mçnt de réponse à l'objectif qui était fixé
initi~lPmçnt à ce travail, ou de b~ttçries pouvant effectuer un nombre de cycles très importants pour des applications aux systèmes de stockage stationnaire de l'énergie électrique. En terme de chimie, ces résultats tendent à montrer tout l'intérêt de s'intéresser en profondeur à l'étude des matériaux o~a,li~lues électroactifs dans le cadre des travaux sur les générateurs éle~ ~hillliques.

L'intérêt des matériaux étudiés dans le présent travail ne se limite pas au domaine des générateurs éle~ ochi.niquçs, mais peut s'étendre en particulier à celui des vitrages éleclloch~mes qui présPntçnt égalemPnt un débouché potentiel de ceux-ci. D'une façon plus générale, il est préférable de regrouper l'ensemble de ces études dans le cadre du domaine de la chimie des milieux aprotiques.

Pour conclure, les résultats regroupés dans ce travail confirment notre choix d'avoir privilégié une recherche à priori prospective, plutôt que l'étude ponctuel d'un point particulier. Malgré les lacunes inhérentes à un tel choix, cette option nous a fin~lempnt permis de répondre aux objectifs initi~lemçnt envisagés, et d'étendre à la fois les concepts et la palette de mat~ri~u pour la mise au point de divers systèmes électrochimiques, tout aussi bien que de contribuer à la connaicsance des aspects fondamPnt~ liés à ce domain~ de la sciçnce C

~194127 Annexe A: Méthodes expérimentales A.l Caractérisation thermique des échantillons:

La c~lo~m~tri~- diLrélen~ielle à balayage, ou DSC (Dirr~.en iel Camping Calorimetry), est un oudl de choix pour la Cd~ t~ tion des pr~pfi~t~s thermiques tant aussi bien, dans le cas présent, des sels fondus protoniques que des électrolytes polymères. Son principe consiste en l'analyse de la dirr~ ce enthalpique enregistrée entre un e~h~ntillon et une l~f~.el~ce inerte qui subicsent le m8me processus de chauffe. On accède ainsi aux propli~tés physiques de tels mélanges binaires, et en particulier à la température de transition vitreuse Tv (en dessous de laquelle plus aucun mouvement de réorganisation n'existe au niveau microscopique dans le m~t~ri~ll), à la température de recrict~llic~tion Tc, et aux différentes températures de fusion Tf. La figure 1 donne un exemple typique d'un tel thermogld.,.",e obtenu par DSC.

A B C D
r x CD ~ T ,~

Tg Te"l~ér~ture >
Figure1: Exemple de ll,er".og,dn""e typique d'un mélange blnaire obtenu par DSC.
La tempé,~lul~ de transition vitreuse (zone A) est ainsi caract~risCe par une allgmlont~tion de la chaleur spécifique du matériau sous forme d'une "marche", nous avons choisi de la déterminer comme la température au milieu de celle-ci. La zone B présente un phénomène exothermique attribué à la recrict~llis~tion de tout ou partie de la phase amorphe. Le premier pic endoth~rmique (zone C) caractérise la température à partir de laquelle une phase liquide (ou amorphe pour les polymères) apparâît dans le matériau, et col,~ond à celle du palier eu~ectique Te. Quand au deuxi~me point de fusion (zoneD), il indique la température où l'ensemble du m~téri~u est fondu.

Ces données permettent de construire le diagramme de phase des matériaux, par l'étude des propriétés thermiques d'éch~ntillor c de différentes concentrations, comme l'illustre la figure 2.

L ~_____.TCD

Tf ~ - - - / L ~ CD
E A + L~\/
~ Te - A ~ ._ Tg _ _ _ -- -- -- -- E ~D

A Co""~ositi~n CD B
Figure 2: Exemple de diagramme de phase d'un systeme binaire.

Dans le cas présent, l'éch~ntillon étudié est placé dans une capsule étanche en al~lminium anodisé
(Dupont), et placé sur la tête de mesure de l'appareil de DSC (Netzsch STA 409), une capsule vide servant d'~le'ment de référence. L'on effectue alors deux montées en température succe~cives pour une vitesse de balayage de 10~C/mn, précédée chacune d'un refroidissernent à -100~C (- -30~C/mn).

Il est important de noter que l'appareil Netzsch STA 409 n'effectue pas une mesure de DSC, qui consisterait à dé~rminer le flux de chaleur néce~ss~ire pour équilibrer la température de l'échantillon à
celle de la référence, mais une analyse thermique différentielle, autrement dit la mesure de la différence de température entre l'échantillon et la référence, qui est reconvertie par la suite à ce que donnerait une véritable analyse en DS(~

A.2 Conductivité des électrolytes:

Les films d'électrolytes, d'une épaisseur de 100-200 ~m, sont placés entre deux électrodes bloquantes en acier inoxydable. Si l'on suppose que l'on peut symboliser l'électrolyte par un circuit électrique RC parallèle, la détermination par spectroscopie d'impédance de l'impédance du système r~ permet de déterminer la r~e~ist~nee de l'électrolyte pour une tempél~lul~ donnée (RéleC)~ et ce à partir de la ~eyl~sentaLion de l'impé-iance dans le plan de Nyquist, telle que l'illustre la figure 3.

Par la suite, la conn~icslnce du facteur géométrique de l'échantillon permet de déterminer la conductivité de l'électrolyte pour une température donnée. Dans le cas présent, les mesures sont effectuées à l'aide d'un spectromètre d'impé~l~nce Hewlett-Packard, modèle HP 4192 A, couplé à un microor(lin~teur, dans la gamme de fréquence S Hz-13 MHz.

.

~/
Q

Zr (Ohms) Relec Figure 3: Exemple typique de spectre d'impédance dans le plan de Nyquist La description du mode opératoire permettant de préparer les échantillons pour la mesure de condllctivité des électrolytes protoniques ayant déjà été décrite (Cf ChapI, II-2-3), il sera limité dans le cas présent aux électrolytes ~lc~linc. Les films d'électrolytes polymères sont obtenus en coulant dans un anneau en verre placé sur une plaque de Téflon, une solution dans l'acétonitrile, précédemment dégazée, du sel étudié et de poly(oxyde d'éthylène). Après évaporadon du solvant à
tempf5rature ambiante, les films sont placés en boîte à gants au moins une sem~inp avant d'effectuer la mesure de conductivité. n faut noter que l'on disperse le polymère avec du m~th~nol avant d'ajouter l'acétonitrile (5-10% en volume relativement à l'acétonitrile) afin d'accélérer la solubilisation du polymère. Le POE 5.106 est cour~mment utilisé pour réaliser des films d'électrolytes présentant de bonnes propriétés mécaniques qui facilitent leur manipulation ultérieure. Cependant, le POE 5.106 présente une masse trop élevée pour lui permettre de fluer dans la cellule de conductivité, et assurer ainsi un collage homogène de l'électrolyte sur les électrodes. Aussi, l'électrolyte est composé d'un mélange pondérale de 60% de POE S. 106, et de 40% de POE 9.105, permett~nt ainsi de garantir le contact entre l'électrolyte et les électrodes. Il a été vérifié qu'un tel mélange n'influe pas la valeur de conductivité obtenue, et ce pour le sel de lithium du dicyanotriazole.
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Afin d'effectuer la mesure de conductivité, les films d'électrolytes sont placés sur un support composé de deux cylindres en acier d'un diamètre de 16 mm, et d'un guide en Téflon permett~nt de garantir l'~lignPmerlt des deux électrodes en acier. Ce support est ensuite introduit dans une cellule de conductivité en verre conçue pour pouvoir être placée par la suite dans un four Buchi TO-50, toutes ces opérations sont effectuées sous atmosphère d'argon en boîte à gants. Une fois introduite dans le four, la cellule est branchée sur une pompe à vide, et portée à une t~mp~ldlu~ de 120~C pendant au moins quinze heures. Les mesures sont ensuite effectuées à partir de 120~C jusqu'à la température ambiante, à intervalle de trois heures typiquPmPnt L'épaisseur de l'électrolyte est dét~rminPe à la fin des mesures à l'aide d'un micromètre m~canique. Il est important de noter que pour s'assurer de la précision de cette mesure, les surf~ces des deux cylindres en acier ont été rectifi~s sur un tour.
j!' III

Pour finir, la figure 4 présente la conductivité obtenue en ~ ture décroissante pour le LiTFSI à
O/Li = 8/1, pour deux mesures effectuées par des e~ différents.

1 o 2 ~ - LiTFSI O/Li=8/1 E ~ Temp~rature décroissante -E 10-3 - o C~ J
O ~
'~D ~
C~ 10 4 - ~ _ ~ POE 6.106, [Sylla]
C~ ~ ~------ POE 9.105, [Hammouche]

Température (~C) Figure 4: Comparaison de la conductivité pour deux fl/ms de POE/LITFSI a O/Li = 8/1.

Celle-ci permet de confirmer qu'il est tout à fait possible d'effectuer des mesures de conductivités, dans les conditions ~ccessihles au laboratoire, avec une précision tout à fait correcte, l'écart observé
entre ces deux courbes correspond en effet à une dispersion maximum de +/- 2% des valeurs, excepté pour les deux points extrêmes qui correspondent à une dispersion de l'ordre de +/- 5%. De plus, il faut signaler que l'écart pour une température ~ 90~C correspond probablement à un léger A.3 Caractérisation électrochimique à l'aide de microélectrode:

Le support permettant d'effectuer les essais en microélectrode est décrit sur la figure 5. En régle générale l'on prépare un film du matériau a étudier, ou l'on dépose directement sur l'électrode ce produit à partir d'une solution, ou d'une dispersion de ce dernier dans un solvant. Le potentiostat utilisé pour piloter la mesure a été réalisé au labo,~lo~ etzschl A.4 Caracte~;sation élelrochi~.lique à partir de batterie:

IV

-La caractérisation des matériaux à partir d'une batterie permet d'apporter de nombreuses inform~tione, en particulier d'obtenir les CuulbCS de décl~&ge int~miost~tique~ et de vol~ étrie lente permp~tt~nt de les c~dct~ ;ser, à partir d'un potentiostat Mac Pile~ (BioLogic) développé à cet effet. Les ép~icse~ typiques des différents composants d'une telle batterie sont donn~es sur la figure 6. De plus, conl.~i.~,...~a~t à la microélectrode, la capa~;ilé coulombique de m~t~r~ sur lequel s~erç~lue l'essai électrochimique est connue, par la pesée de la qual.lité de m~t~n~u d~pos~ sur la Cathode e ~ 25-50 ~m pastille en acier d'une surface de 2 cm2, servant _ Cl~t~ l~to e ~ 200-300 ~m de support à la cathode. Il est dès lors possible de Flgur~ 6 ~p~isseur typiqu~3 des constituants des définir la capacité théorique de la batterie (Cth) ~It~r;~ utiliséespourles essais ~ chfmiques.
exprimée g~n~ralem~nt en nombre de Coulomb par cm2 ou en mA.h par cm2, qui s'obtient en divisant la capacité en Coulomb par un facteur égal à 3,6.
Il n'est en aucun cas tenu compte de la capacité de l'anode, celle-ci de par l'épaisseur de la feuille de lithium est approximativement 100 fois supérieure à celle de la cathode.

Par la suite, lors de la réduction ou de l'oxydation du m~t~n~u de cathode, I'on détermine la capacité
pratique obtenue pour un courant ou une vitesse de balayage en potentiel donnée, et il est ainsi possible de définir le pourcentage d'utilis~tion du matériau électroactif (%Utilisation) par le Mpport de la capacité pMtique à la capacité théorique. Lors d'un essai de cyclage de la batterie, I'évolution de ce par~mètre perrnet de qu~ntifier la dégradation du matériau de cathode au cours du cyclage. De plus, le rapport de la capacité obtenue en décharge, sur la capacité en recharge, que l'on exprime par le rapport C/D permet d'obtenir le rendement faradique qui est égal à 1 en l'absence de phénomène parasite. Si lors de la recharge de la batterie, il apparâît une dendrite qui croit jusqu'à la cathode, le rendement coulombique devient supérieure à 1, ce qui caractérise bien ce genre de phénomènes.

D'autre part, I'essai de décharge intensiostatique d'une batterie pour différents courants de décharge permet d'évaluer l'influence du régime de décharge sur la capacité disponible de la cathode. Il est alors possible d'en déduire la densité d'énergie et de puissance pour un poids ou un volume de batterie donné, en général à partir d'une géométrie correspondant à un système optimisé.
,, .
Pour finir, signalons que les essais sont pour la plupart effectués dans une cellule placé dans une étuve dans laquelle circule de 1 'argon à une temp~,dluie de 80~C, les boitiers scellés utilisés n'étant étanches qu'environ lS jours à une telle temp~.alu-~,. Pour les essais qui ne sont pas réalisés sous argon, I'on vérifie à la fin de l'essai en démontant la batterie que le lithium est toujours brillant et donc non oxydé, ni nitruré, ce qui garantit la validité de l'essai.
A.5 Caractérisation par RMN:

~1 941 ~7 La résonance magnétique nucléaire (RMN) permet d'étudier la structure et la composition des produits organiques synth~ti$~s~ afin de s'assurer de leur pureté. Elle est effectllée soit sur un appareil Brucker travaillant à 80 MHz (carbone et proton), ou sur un appareil de la même marque fonctionn~n~
à 200 MHz (carbone, proton, fluor). La référence pour le fluor étant CFCl3 dans le chloroforme, il est n~ceCc~;~ de sou~ e 3,87 ppm à la valeur obtenue pour la ~f~.~,. ce. à l'n~élon;l, ;le A.6 Caractérisation par spe~;lroscopie infra-rouge:

Les ,pe;ll~,s infra-rouge sont obtenus sur un appareil à transformée de Fourier Nicolet ~-l~ 410.

Référence:

[I b"",~uche] Commu,l ~ ~' n per~onne"e [Netzsch] Notice t~l,r, ,_e Netzsch STA 409.
[Sylla] Sylla, S. Thèse de doctorat de l'Université de Grenoble, INPG, 1992.

,, . ~

VI
8 oo ~ ~, o Figuro 3.30: Is ~ ll.er ", e of conductivity for the derhan ~ anions of malononitrile at O / Li = 12/1.

102 1 1 1 1 ll ¦ O / Li = 16/1 ¦ ~
--1 o 3 - ~ _ - - 80 ~ C ~ L ~
s 10 4 -60 ~ COO Ef ~ -- 50 ~ C [1 ~ -10 5 ~
f 3--1 o-6-40Oc o 0 '= O ~ ~ O

Figure 3.31 ~ l, e "" e of conductivity for the anions deriving from malononitrile with O / Li = 1 6/1.
As we can see, the conductivity of lithium salts for O / Li = 8/1, and when the electrolyte is in a fully molten state, augmen ~ P, with the nature of the following substituent:
MePhSO2 <MeCOz MeSO2 ~ CN <CF3CO <CF3SO2 The lower conductivity observed under these conditions for toluenesulfonyl malononitrile vis-à-vis vis acetyl malononitrile, despite the lower attractiveness of this substituent, can be explained by the presence of the phenyl group which must stiffen the polymer matrix, and thus cause a higher increase of the glass transition temperature of the POE with the concentration of salt, as illustrated by the results above ~ emment exposed on tetraphenylborate (Cf II-3-1-3, table 3.4).

It is interesting to conct ~ er, that for a given substrate, the conductivity is essentially related to electron-withdrawing power of the substituent, thus helping to facilitate the dissociation of the envisaged salt in poly (ethylene oxide). Apart from problems with the structure of anions, such as the presence of a rigid phenyl group ~ the electrolyte, the laws governing ~ n ~ c dissociation of salts in the medium polymer, therefore seem to be after all coherent with the results obtained in liquid medium.

The two figures given below make it possible to assess the influence of the substitution of a carbonyl by a sulfonyl in acetyl malononitrile (figure 3.32) and its fluorine equivalent (figure 3.33). In the first case, the conductivity is close for the two salts, but the presence of sulfonyl dimimulates the melting temperature of the electrolyte for a composition O / Li = 8/1. For fluorinated products, the presence of sulfonyl allows eg ~ l ~ m ~ nt to extend the area where the electrolyte is amorphous, and also leads to an increase ~ tior ~ of the conductivity by a factor of about two.

1 o-2,, I,,,, 10 3 O ~
E 1 ~ 3 ~ O / Li = 12/1 1 - ~ E 1 0 4 r ~ g E 1 0'4 o _ o '~ D 10 5 o ~
o CF3COCLi (CN) 2 10 7 - o LiNCN) 2 ~
c 10 6 - o CF3SO2NLiCN la O 1 0 ~ ~ o CH3COCLi (CN) 2 10 7 ~ 10 9 2.5 3 3.5 2.5 3 3.5 1000 / T (K) 1000 / T (K) Figure 3.32: Comparison between CH3CO and CH3SO2 Figure 3.33: Comparison between CF3CO and CF3SO2 malononitrile for a c ~ "" ~ sitien at O / Li = 8/1. malononitrile for a co "", osition at O / Li = 8/1.
We then wanted to compare the conductivity of the anions derived from cyanamide and malo ~ ollitrile As illustrated in Figures 3.34 and 3.35 given ~ Rs below for electrolytes of compositiQn.CO/Li = 12/1, the cyan derivative of cy ~ nimi-le has a conductivity equivalent to acetylmalononitrile, and the trifluorometh derivative ~ nesulfonated to that of trifluoroacetylmalononitrile We can conclude that the g- ~ up ~ lllent malononitrile allows better dissociation of lithium salts in the POE for a sl) bstib) ~ nt given compared to the cyanimide group.
1 o-2 ,,, ~ 10 2 E103 ~ O / Li = 12/1 ¦ _ E10'3 ~ ~ ¦0 / Li = 12 / 1¦ -o 10 4 - o - o 10 4 o 0 5 o - ~ 1 o'5 -o CF3COCLi (CN) 2 "~ C ~ 3CCcLi (cN) 2 o 1 ~ ~ O CF3SO2NLiCN _c 1 0 - OC ~ 39t) 2NLiCN b ~
107- '''' I '''' ~ 107 '''' I
2.5 3 3.5 2.5 3 3.5 1,000 / T (K) 1 OOOIT (K) Figure 3.34: conl ~ ardison between CH3COCLI (CN) 2 Figure 3.35: Comparison between CF3COCLi (CN) 2 and andLiN (CN) 2 for a cen "~ o ~; tion 0 / Li = 12/1. CF3SO2NLiCN for a con" ~ os; tien O / Li = 12/1.
Figure 3.36 gives the conductivity respectively of the lithium and potassium salt of tricyanorn ~ th ~ ne for the same composition O / M = 14/1. The salt of po ~ csium of tricyanométh ~ ne is certainly more conductive than lithium salt at ~ ll-pel ~ tures below z 60 ~ C, and has thus a conductivity - 10-5 nl.cm-l at 25 ~ C. On the other hand, it is interesting to note that the salts lithium and potassium, when the electrolyte is in a molten state, have the same conductivity which seems indicated that in these con ~ itions the lithium salt of the tricy ~ name ~ th ~ is whole ~, .- slow ~ absorbed in the POE; this assumption is consistent with the pKa ~ -5 determined for the tricy ~ nom ~ th ~ ne relative to water.

10 3 1 o-2 E10 ~ ~ C) 3CLi¦ _ E10 , 1o-6 ~ 10 5 - (CF3so2) 2NL
o O / Li = 14/1 ~ ~ ~ CF3So2cLi (cN) 2 10 ~~ O / K = 14/1 - O 10 0 LiC (CN) 3 o-8- ~ ~ lll - 107-2.6 2.8 3 3.2 3.4 3.6 3.8 2.5 3 3.5 1000 / T (K) 1000 / T (K) Figure 3.36: Comparison between the conductivity Figure 3.37: C ~ i "f ~ on between the conductivity of lithium salt and pQ's-e ~ rn of tricyano-LiTFSI at O / Li = 8/1 and LiC (CN) 3 and i "~ V, donkey for a composition O / M = 14 / 1.CF3SO2CLiC (CN) 2 for c ~" ~ ositi ~ n at O / Li = 12/1.
It is eg ~ lpm ~ nt possible to refer to the acidity measured in phase g ~ 7 ~ use to correlate it with the conductivity obtained for the different anions, also we have grouped in table 3.13 the dissociation enthalpies, experiment ~ le for TFSI, and estimated for tricyanométh ~ ne and le trifluorométh ~ nesulfonyl malononitrile [Koppel], as well as the respective conductivity optimums at each of them in Figure 3.37.
Table 3.13 Acidity in gas phase of TFSI and derivatives of malononitrile, according to [Koppel].
Acid HC (CN) 3 (CF3so2) 2NH CF3SO2CH (CN) 2 ~ Gd, SS (kcaVmole) 293 291.8 282 In view of its results, the low enthalpy of gas phase dissociation of these acids indicate that they are probably fully dissociated in the molten electrolyte, however, this parameter is not snffi ~ nt to predict the conductivity of lithium salts. Indeed, even if the tricyanométh ~ does not have an enthalpy of dissociation in the ga7ous phase equivalent to that of TFSI, its conductivity is two to three times lower. This difference can be justified by the flat and symmetrical structure of the tricyanom ~ th ~ ne which rigi (probably unifies the electrolyte. On the other hand, trifluorométh ~ neslllfonyl malononitrile, despite a lower dissociation enthalpy 10 kcaVmole to that of TFSI, has a conductivity equivalent to or less than this.
From these r ~ slllt ~ tc, it seems that the TFSI, among all the anions considered so far, provides the electrolytes with the largest amorphous domain, and the best conductivity for a composition at O / Li = 8/1. This result is linked to the conjunction of an acidity suffl ~ mme ~ t high to obtain lithium salts fully dissociated in the POE, and flexible loop of the anion which allows to plasticize the electrolyte.

. ~ _ 1 o'3e,. ~ ~
b1 o - ~ 0 / Li = 12/1 ¦ -0 ~ 5 ~

0 6 - o UN (CN) 2 ~ \
0 7 ~ o UC (CN) 3 ~ -. 1 0 2.5 3 3.5 1 OOO / T (K) Figure 3.38: Influence of the anion center between Figure 3.39: Influence of the center al,. - r.-, e between , ~ s, ~ ti "~ ement N-X2 and CX3 for X = CN, lespe ~ ement N X2 and C-) ~ 3 for X = CF3SO2, for a co. "f ~ ositi ~ na O / Li = 12/1. for O / Li = 8/1 (LiTFSI) and O / Li = 10/1 (LitriTFSM) Figure 3.38 compares the conductivity of the li ~ hium salt, for a composition with O / Li = 12/1, bis (cyanoimide) and tricyanomethane. This ultimately amounts to assessing the influence of the anion center on the dissociation of salt, for a given s ~ lbstitll ~ nt, in this case a nitrile function. It appears that unlike the anions substituted by CF3SO2, that is to say respectively the anion of TFSI and the anion of triTFSM, whose conductivity for their optimum respective composition is given on figure 3.39, one observes a clear increase in conductivity passing from imide to trisubstituted methane. This difference is explained by the larger steric hindrance of the trifluorometh ~ nes ~ -lfonyl group, relative to group ~ l, ent cyano. Indeed, in the case of triTFSM, it is difficult to place the three groupings CF3SO2 symmetrically in the same plane, geometry favorable to the stabilization of the anion. The distortion relative to flatness results in less acidity than that at which one could expect by simply adding the cumulative effect of three substitutions, we generally speak of a saturadon effect to qualify this phenomenon [Koppel]. However, the small volume of the group cyano allows you to place the three substitll ~ nts in the same plane, and this symmetrically. It results in a higher acidity of tricyanomethane relative to bis (cyanoimide) which justifies the results observed in conductivity.

To finish with the anions derived from malononitrile, the mixture of the lithium salt poly (acetyl malononitrile methacrylate), which we will symbolize to simplify a ~ 3 by PMAMLi, with a poly (ethylene oxide) matrix, is an example of ~ n the application of the chemistry of malononitrile to the particular field of electrolytes at c = o grafted anions. Even if this anion is not grafted directly onto the POE chain,, ~
this electrolyte can be considered as an electrolyte with a unipolar collection, of ANION
made of the low diffusion coefficient of the polyanion, relative to that of the cation of PMAM
lithium within the solvating m ~ tnce. Figure 3.40 gives the conductivity of the salt lithium poly (m ~ th ~ acetyl malononitrile crylate). As we can note, the grafted lithium salt of acetyl malononitrile has a conductivity of 10-5 Q ~ l.cm ~ l at 60 ~ C; which is after all a very honorable value for a grafted anion, with regard to the ease of synthesis of this polyelectrolyte. In addition, the anion being immobilized, one can expect less reactivity of the nitrile functions with respect to the lithillm electrode, and even consider the use of such a polyelectrolyte only in the cathode of batteries to limit the harmful effect of gr ~ dients of concentrations ~ pp ~ r ~ iss ~ nt cssentiellement in this area.

10-4 ~ ~ ~
PMAMLi ¦ -E 10 5 ~ ~.

O ~ _ \
~ 10 6 ~

~ o O / Li = 8/1 ~ -~ 10 7 - OO / Li = 12/1 ~
~ O / Li = 16/1 ~

1 o-8 2.6 2.8 3 3.2 3.4 3.6 1000 / T (K) Figure 3.40: Conductivity curve of the tithium salt of the grafted acetyl malonitoneum.
Finally, Figure 3.41 compares the conductivity of the lithillm salt, for a composition with O / Li = IV, acetyl malononitrile, relative to its grafted counterpart. To clarify the things, the conductivity values for the grafted anion are multiplied by a factor of five, which roughly fits away from conductivity between the free anion and the anion 10'3 '''' I
grafted when the electrolyte is fully --- 1 0-4 - ~ ~ O / Li = 12/1 ¦ -molten. However, below the point of _y ~ x 5 electrolyte fusion which is E 10 \\
approximately at 50 ~ C, the conductivity ~ 1 o-6 4 of the grafted anion electrolyte decreases more slowly than that with free anion, this c ~ 10 oPMAMLi phenomenon probably related to 8 1 o-8 ~ o MeCOCLi (CN) 2 \ ~ -kinetics of recrystallization ~ ation plus 10 9 slow. So at room temperature 2.5 3 3.5 the grafted anion electrolyte is approximately a 1000 / T (K) Figure 3.41: Comparison of salt conduction order of magnitude plus conductive which of acetyl malononitrile and PMMA.
the free anion electrolyte.

_ II-3-2-3 Conclusion on open anions:

An analysis of data from the literature concerning the basicity of anions of the family of meth ~ nes disubstituted and imides, allows to correlate the properties of the lithium salt of the bis (trifluorom ~ -h ~ neslllfonimide) in polymer electrolytes, on thermodynamic criteria rel ~ tively simple from the physico-chemistry of ~ protic solutions.

These criteria confirm p ~. r ~; ~ ... ent the hypotheses having led to the development of this salt, a ten years ago, and in particular, the importance of using base-derived anions soft deloc ~ licées which are best solvated in aprotic dipolar solvents, among which poly (ethylene oxide) which interests us more particularly.

It is thus possible to find substitutes for the anion of bis (trifluoromethanesulfonimide) based on a chemistry relatively easy to implement, and derived from precursors of the great organic chemistry such as trifluoromethanesulfonamide, cyanamide, and malononitrile. For each of these precul ~ iuls, it is possible to obtain anions whose salts of lithium has a conductivity close to that obtained for the anion of the bis (trifluoromé-h ~ nesulfonimide), the lithium salt of which is ~ ctuellemer-t used in the context of various industrial research programs aimed at developing batteries with lithium with polymer electrolytes.

From a more fundamental point of view, the study of the influence of the electron-withdrawing power of the substituting on the conductivity of lithium salts derived from malononitrile, shows without ambiguity that this, for a given family of anions, is directly linked to the dissociation of salt, in other words to its basicity, and what such conn ~ ics: lnces from the .
chlmle orgamque.

Finally, we must unfortunately deplore, at the moment, the lack of data thermodynamics available in the literature, concerning the acid-base properties in medium aprotic of these anions. These data will probably allow, once their knowledge has been extended, to refine the concepts re ~ iss ~ nts m ~ c ~ nicmes of salt conduction in polymer medium.

II-3-3 Cydic anions:

II-3-3-1 General presentation:

Anions derived from heterocyclic compounds, and more generally cyclic, have no practically not been studied with a view to developing new anions for polytrophytes polj; n ~ r ~. Ur.e sculc e ~ iuipc s'., S. in; c.cs ~ c ~ the conductivity of imida; zole e ~ de ccr.ai..s de sc ~, derived in POE IWnght1,2]. The chemistry of heterocyclic compounds being particularly varied, it seemed interesting to us to evaluate the potential interest of these anions in electrolytes polymers in ETU (li ~ nt the col ~ dllctivity of different compounds of this family in the POE.

Among all these species, the anions deriving from cyclic compounds with five or six atoms content ~ nt 4n + 2 electrons 7 ~ are assumed to be stabilized by resonance [Bo ~ wel ~ 7]. This energy of aromatic stabilization (ESA) of the anion, of the order of 10 to 20 kcaVmole, is characterized among other things by a diminlltion of its b ~ cicity, relative to its non-cyclical equivalent. We have illustrated in Figure 3.42 this concept in the particular case of cyclope.nt ~ di ~ ne:

Cy ~ n R ~
CHz = C ~ CHz - C ~ CHz ~ ~ ESA = 2,3 RT ~ pKa - 23 kcal / mole pKa ~ 35 pKa = 1 8 Figure 3.42: Example of ~ eneryeti4ue by cyclization of a molecule.
As we can co ~ ct ~ ter, the resonance energy of the cyclopçnt ~ does not allow to decrease its basicity -17 pKa units in DMSO relative to 1,4-pentadiene. R
However, this anion is still too basic to consider obtaining ~ Rz lithium salts dissociated in POE medium. In order to make it less basic, it F ~ ~ R3 is necessary to substitute all or part of the hydrogen atoms with ~ r grouping.s allowing dl ~ eccentuer the deloc ~ li.c ~ tion of the anionic charge cYcLOpERN4TADIENE
(Ri = CN, CF3, CO2Me, F "..), as illustrated by the pKa values of such SUBSTITUTED anions given in table 3.14.

These acidity values call for some comments. First, it is surprising to note that the pKa of pent ~ fluorocyclopent ~ di ~ only decreases ~ 2 units reladvement at cyclopent, ~ iene; this only illustrates the ambivalent character of the atoms of auors (and halogen in general) which are electron attractors ~ ar inductive effect ~ via the bonds ~, but which perhaps potentially ~ electron donors by resonance, via ~ bonds, as the confirms the values of ~ 1 and C ~ R given ~ Rs in Table 3.15. These two parameters measure in effect the relative share of the inducdf effect (~ 1) and the resonance (~ R) for a given substibl ~ nt. Of more, ~ SR is generally close to the value of ~ m, and the sum of ~ 1 and ~ R actually corresponds to the value of ~ p IMa ~ hl, and this in agreement with the results relating to the equation of ~ mmett (Cf II-3-2-l).

- 2 1,941 27 Table 3.14 pKa of the acids con ~ -gués of anions deriving from cy ~ p ~ "~ adiene.
R pKaH2 ~ Medium Rér ~. ~ .. this R1 ~ = H 1 ~, 5 / [Paprott]
R1 s = F. ~ 14 Deuterated solvent [Paprott]
R4 = CN 9.78 H20 [Webster3]
R3 = R5 = CN 2.52 H20 [Webster3]
R1 = R2 = CN 1.11 H2O [YVebster3]
R1 = ~ 2 = Fl4 = CN R3 = CH3 -5.7 CH3CN [Webster3]
R1 = R2 = R4 = CN -6.1 CH3CN [Webster3]
R3 = R4 = R5 = CN - -7.5 CH3CN [Webster3]
R1 = R2 = R3 = Rs = CN -9 CH3CN [Webster3]
R ~ = CN ~ -11 CH3CN [Webster3]
R1.s = CF3 <-2 H2O / H2SO4 [Laganis]
R1.5 = CO2Me ~ -7 H20 [Cookson1]

Table 3.15 Inductive and lesional attracting effects of certain groups, according to [March].
C; ~ 'JI ~ R ~ I ~ R ~ p (C5'l + C ~ R) F 0.5 -0.31 0.19 Cl 0.46 -0.18 0.28 Br 0.44 -0.16 0.28 CF3 0.42 0.08 0.5 CN 0.56 0.08 0.64 CO2 and 0.2 0.16 0.36 The structure of pentafluorocyclopentadiene is unfavorable in this sense due to the overlap possible between the 7 ~ orbitals of fluorine atoms, on the other hand their substitutions by groupings CF3 essPnti ~ llPment attractors by inductive effect allows to obtain a cyclopçnt molecule ~ dièn ~
which is the strongest known conjugate-free carbon acid to date [Laganis]. Acids even stronger are obtained by substituting the protons with groups. ~ carbomethoxy or cyano which allow to delocalize the load by inductive effect and by resonance, the pentacyanoplopene being the strongest carbon acid known to date. The estimated pKa value for pentacarbomethoxycyclopentadiene may appear weak in view of the attractor effect of groupem.o.nt CO2Me relative to that of group CF3 or CN, however, the relocation ~ li.s ~ tion of the oxygen charge of the carbonyl functions probably acts in favor of a effioa ~ e solvation of the anion in an aqueous medium. In contrast, the pKa of pentacyanocyclopen relative to water, is d ~ nnin ~ in con ige ~ nt the value obtained in acetonitrile ~ 9 pKa units ~
either the difference measured for the acidity of dicyanocyclopentadiene between water and acetonitrile; the pentacyanocyclopent ~ di ~ .ne being a very delocated soft base ~ ée ~ it is therefore likely that the pKa value relative to water is under ~ stimulated 2 1 9 ~ 1 27 -Tetracyanocyclopentadienide is a potentially more interesting molecule than pentacyanocyclopent ~ enide, due to the low basicity of the anion which allows to consider obtaining very dissociated lithium salts in POE medium, and by the possibility of making substitutions electrophiles on the molecule. It is thus possible to obtain from this molecule, the derivatives nitro, amino, chloro, acetyl, trifluoromethanesulfenyl tetracyanocyclopentadiene, and especially synth ~ tize from the derivative .; a ~ etylé, vinyltétracyano ~ yclopentadienid ~ ~ Webster4]. We obtain easily a polyelectrolyte soiubie in acetonitrile in ch ~ lff ~ n ~ the vinyl derivative at ~ 140 ~ C under argon. It is then possible to mix the lithium salt of this polyelectrolyte with POE, which should thus behave like a very dissociated fixed anion, but above all to graft this molecule on a modified POE containing allyles polym ~ -ri.c ~ bles functions. So even if there is a doubt about the stability of the cyano functions with respect to a lithium electrode, the immobility of the anion must guarantee the chemical inertness of the grafted salt, while combining the advantages inherent in the use of purely cationic conduction polymer electrolytes on the performance of catteries. On the other hand, the oxidation stability of the anion must be potentially largely su ~ -ieur at 4 volts, the anionic charge being very delocalized and therefore not very oxidizable.

Data from the literature on anions of the cyclopentadiene family confirm a priori our interest in anions derived from cyclic molecules with aromatic characters. As well, will we m ~ inten ~ nt present the information available on the azoles family with characters aromatic, i.e. essentially to five rings containing only carbon atoms and nitrogen. The generic elements of this family are obtained by gradually replacing the carbon atoms of cyclopen ~ dièn ~ - by nitrogen atoms, either succesively: the pyrrole tlN), imidazole, (2N), pyrazole (2N), triazole (3N), and tetrazole (4N), the structures of which are illustrated in Figure 3.43.
R ~ AA N - N ~ ~ ~
~ N ~ ~ NH ~ N ~ NH 6 ~ N ~ N'N ~ NN ~ N, N
HHHH
PYRROLE IMIDAZOLE PYRAZOLE 1,3, ~ TRIA ~ OLE 1,2,3-TRIAZOLE TETRAZOLE
Figure 3.43: Family of azoles composed of five-atom rings.
For all these azoles, it is possible to write mesomeric forms making it possible to delocalize the anionic charge on all nitrogen atoms, as shown in Figure 3.44 for 1, 3, 4-triazole.

N - N N - N ~ N - N

Figure 3.44: Resonance form of 1,3,4-tri ~ oiQ
As shown by the pKa values given in Table 3.16, the ~ acicity of azoles ~ iminl ~ e ~ 4 units every time we replace a carbon in pyrazole with a nitrogen atom, this di ... in ~ l ~; we r ~, sult ~ nt in part of the more electronegative character of nitrogen relative to carbon. The 2 ~ 94127 less basicity of 1, 2, 3-triazole, with respect to 1, 2, 4-triazole, results from the elimination ~ tion in the more basic pyrrol nitrogen cycle. In addition, the acidity measured in the DMSO (remove it ~ 4 units (l ~ pKa) relative to that obtained in water, tr ~ dui ~ nt lower solvation energy azoles in DMSO from 4 to 8 kcaVmole.
Note that in the azole family, pentazole is a molecule too unstable to be isolated, but we can however estimate its pKa ~ O ~ z 0, g lCata ~
Table 3.16 pKadans H20 and in DMSO pi ~. To azoles to c ~ ld ~; teres ~ loll.,. ~ Es Hél ~ keys Pyrrole Imidazole ~ l ~ E 1,2,4-Triazole 1,2,3-Triazole Telr__nl ~
pKaH2O 17.51 14.4 14.21 10.04 9.26 4.9 pKaDMSO 23 18.61 19.84 14.75 13.93 8.23 ~ PKa 5.49 4.21 5.63 4.71 4.67 3.33 Let’s take a closer look at the effect of substitution on the acidity of azoles, we’ll start in this by tetrazole which has the advantage of being able to carry only one substituent (R) on the cycle. We have shown in Figure 3.45, the evolution of pKa relative to water [Ca ~ al ~ l in function of the ~ p of the substitution ~ n ~ lM ~]. In agreement with what we exposed above ~ lemm ~ nt on the anions of the TPSM family, it might be better to use the values of ~ p ~, however the use of ~ p perrnet already to obtain a good correlation according to the equation:
pKa = 4147-5.3 ~ p We can deduce from this equation a value Me- '' of 5.3 for the coefficient p of the equation of H \ ~ Ph Hammett which is to compare with the value l 2.2 for the substituted phenols in the 2 ~ CF3 Br same conditions [Bordwell31. Tetrazole is N o _ therefore more influenced than phenols by Y NO2 ~ \
substituting, this probably being to - 2 -correlate with a better deloc ~ li.cation of 4 _ \ Nz + _ load. In addition, the value of the coefficient p depends on the nature of the solvent and thus passes 60, 5 0 0, 5 1 1, 5 2 2.2 to 5.3 of an aqueous solvent with DMSO ~ P
Figure 3.45: Influence of s ~ hst ~ f on acidity for phenols. If we extend this result to t ~ relative to water.tetrazole, it is likely that we can obtain relatively strong acids in DMSO, in s ~ lbssitu ~ nt tetrazole by groups very au. ~ u ~ s of electrons such as: CF3, CN, CF3CO, or CF3SO2.
n is also possible to colupafcr the acidity of azoles fully s ~ lbstihlés by a gloup ~ luent R
given, i.e. compare the effect of a monosubstitl ~ tion on tetrazole relative to a double substitution on the triazole, and so on. For this purpose, we have grouped in the table 2 1,941 27 3.17 the pKaH2O available for tetrazole, sorting ~ 7.ole, and imid ~ 7ole. We also have indicated, in italics, the difference in acidity (~ pKa) reduced to an attracting group, and this relative to the pKa of non-substitute azole ~ - ~. It should be noted that unlike the pKa d ~ tPrmin ~ for malononitrile derivatives in m ~ l ~ nge water / dioxane 1/9 vol. (65.5 mol% dioxane), the PKa of bis (trifluoromethane) triazole determined in a water / dioxane equivolumic mixture is ~ s.simil: -klc has its valcur d ~ s water, dioxane does not represent [while only 17.4% of the molar fraction.
This r ~ sultaL is comïrmé by tait that the pH of a solution of perchloric acid in a mixture water / dioxane 1/1 vol. only varies at m ~ ximllm by 0.2 pH units, and this at infinite dilution [Shukla].
Table 3.17 pKa ~~ of different azoles Sl ~ hStitlléS ~ from [Catàlan].
Br CF3 NC NO2 CF3S02 ~ N ~ ~ N ~ ~ N ~ ~ N ~ ~ N ~
N ~ N, NN, NH ~ N N'H ~ N
PKa 2.13 1.7 0.7a -0.83 -1l15a Ka 2.77 3.2 4.2 5.73 6.05 N - N N - N NC CN N - N
Br ~ Br F3C ~ CF3 ~ 6 o2N ~ N9 N ~ 2 PKa 5.17 3b 1.47 -0.63 Ka 2.44 3.52 3.9 5.34 NC ~ ~ CN

~ 9 d _5 ~ ~ 3 ~ -4 PKa 2.1c ~ PKa 4, 1 a: estimated from the relationship: pKa = 4.36 - 5.23 ap.
b: determined in ", mixture 50/50 vol% water / dioxane, according to [Brown].
c: from [Apen].
d: M. Armand, Personal communication As we can cost .ct ~ ter, according to the available values, the decrease in pKa induced by a g ~ or ~ ... ~ -nt given is substantially equivalent whatever the azole considered. This result allowed to estimate the value of pKa ~ ~ ssPntie1lPmPnt for imidazole derivatives, ad-litionn ~ nt the effect observed for a given grouping in tetrazole. From all of this data, we give on figures 3.46 and 3.47 the evolution of pKa as a function of ~ p of the substitute ~ n from which we can deduce the equations of ~ mm. ~ tt for imi ~ 7.ole and triazole:
Imidazole: PKa = 14.1 - 18.2 ~ p Triazole: pKa = 9.3 - 11.4 ~ sp 21 94i Z7 Estimating pKa values assumes that it is possible to place two substituents on the tn ~ 7: olP, and especially three on the imid ~ ol ~ o without inducing a steric constraint between the substitutes, which çntra ~ me ~ it a ~ n ~ l; one of the stability of the anion, and this in particular for CF3SO2.

12 e '''''' 3 p.m.
10 - ~ H
8 - \ - lo -Br ~ ~ Br ~~
Q 4 C ~ ~ Y 5 - CF3 2 - CN O \ CN
~ ~ N0z \ ~ \ ~ n N0z ~ \
-4 '''''5 1 1 1 1 1 ~
-0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 ~ p ~ P
Figure 3.46: Influence of suhstitllAnt on Figure 3.47: Influence of 5l ~ hstit ~ Ant on the acidity of triazole with water. The acidity of i ".. '- ~' e relative to water.
Figure 3.48 allows you to compare the evolution of acidity as a function of the parameter ~ p of the equation of H ~ mmett respectively for imidazole, triazole, and tetrazole snbstit ~ lé As shown this figure, the slope p of the Hammett equation gradually increasing from 5.3 to 18.1 in passing from tetrazole to imidazole, the order of acidity for these azoles depends on the attractiveness of the substinl ~ nt So for the substituents with a ~ p <0.75 such as halogens, CF3, or CN, the acidity order is such that pKa (imidazole) <pKa (triazole) <pKa (tetrazole), this order being reversed ~
for the very attractive substituents present ~ nt a ~ p> 0.75 such as NO2, or CF3SO2. According to these résl.lt ~ ts, we can assume that the acidity of these azoles substituted by CH3SO2 (~ p = 0.73) should be practically identical and such as pKaZl.

Imidazole Triazole \ \ Tetrazole Y ~
o- ~

-0.5 0 0.5 ~ 1 1.5 2 Figure 3.48: Influence of s ~ hsti ~ A ~ It on the acidity of i "'- ~ -.' E, triazole, t zl, In order to complete these results ~ ts, Figures 3.49 and 3.50 show the influence of a double substitution on the acidity and basicity of pyrazole respectively in the gas phase and in water lEI9u ~. As we can see, the p ~ r ~ meter p of the equation of ~ mmett for the acidity of pyrazole is 5 2.7 times greater in g ~ 7ellse phase than in water, this result is compare with the factor 5.6 determined previously for the substituted phenol between the values in ph ~ se g ~ zcuse and d ~ ns e ~ u.
400,,,,,,,, 20, I
350 _ 3 H ¦Pyrazole ¦ 15 - ~ ¦Pyrazole ¦
~ 53 ~~ - PA - 31.7 ~ 10 - p = 11.6 ~ 3 ~, 250 -CH H p = 25.2 cY ~ 5 ~ ~ = 18.9 200 - ~ B
<I ¦ + ~ G basic I CF ¦ + pKa basic \ _ 1 50 - I ~ G aade ¦ -5 - I pKa acid 3 100 '''''''-10 -0.2-0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6-0.2-0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 ~ p ~ P
Figure 3.49: Influence of 51'hS ~ itll ~ rlt on Figure 3.50: Influence of s ~ hstitu ~ t7t on the acidity of triazole relative to water. The acidity of i "; L '- ~' 8 relative to water.
It is interesting to note that the parameter p of the Hammett equation describing the acidity of the pyrazole in water (p = 11.6) is roughly equivalent to the parameter determined for triazole under the same conditions (p = 11.4); on 5 can therefore assume that the effect of the, ~, Pyrazole / H 0 J ' solvation on these two acids is identical 2 - O PhénoUDMSO
in an aqueous medium. In addition, the information available on pyrazole, carrying different - ~
substitute ~. ~ nts, allow to show, as ~ H / ~ G) d, T, so = 0.96 illustrated in Figure 3.51, that the entropy I - 5 ~ ~ '-represents a small part of its energy '1,' ionization (~ 15%), unlike ~ (~ H / ~ G) = 0.86 phenol in water. These data are -10 (~
-15 -10 -5 o 5 10 referenced to the AGo energy values (kcal / mole) ionization and acid enthalpy, Figure3.51: By ~ del'e "lhr / ~ edanslenergy ~. ionization of pyrazole in water, comparatively respectlvement for pyrazole and phenola the share for phenol in DMSO.
unsubstituted This result is not surprising, pyrazole being a soft base, the charge of the anion does not imply a structuring important water molecules; in the same way as the part of the entropy of phenol in the DMSO is negligible due to the lesser structuring of this solvent compared to water.

To en ~ e .... i - er with pyrazole, the values grouped in table 3.18 allow to evaluate the inflllçnce of the sllbstitlltion of grou ~ e ~ ts CH3 by CF3 groups on its acidity in ph_se ~ 7ellce and in the water. It appears that the effect of substitution is practically additive in phase g ~ 7ellce ~ acidity (liminl1 ~ nt ~ lS kcaVmole by CF3; even if the effect is less additive in water, acidity decreases ~ 3.5 pKa units per CF3 to +/- one unit.
Table 3.18 Influence of the substituents on the ~ G ~ j (in kcaUmole) and the pKa of pyrazole, according to [Elguero].
Substitute R ~ G ~ G PKa ~ PKa Rl = Rt = CH3 348.1 0 15 0 Rl = CH3 R2 = CF3 333.6 -14.5 12.3 -2.7 Rl = R2 = CF3 317.4 -16.2 7.5 -4.8 The app ~; nte additivity of the effect of an attracting group on the acidity in the gas phase allows to estimate the acidity in phase g ~ 7 Chip of 3,5-bis (CF3SO2) -pyrazole [El9Uer ~ l, this group present ~ nt gener ~ lemert an effect twice as important as CF3 on acidity. So we end up with a estim ~ tion of ~ GaC ~ 295 kcaVmole, a value between the acidity in ga phase ~ use of TFSM (aG = 301.5 kcaVmole) and TFSI (~ G = 291.8 kcaVmole), pyrazole being an intermediate, the load being carried by a carbanion placed in a resonant structure. We we also wanted to estimate the acidity in the gas phase of 3,5-bis (CF3) -triazole, conn liss ~ nt its lower basicity in the gas phase relative to ammonia (~ Gbas = l9s ~ 6kcavmolet ~ ippin9]) from -50.2 kcaVmole [EI9Uer ~], we end up with a / ~ GbaS = l4s ~ 4 kcaVmole, i.e. 41.5 kcaVmole less than the ~ GbaS of bis (CF3) -pyrazole. If we assume that this difference is maintained on ~ GaC, we can estimate the ~ GaC of 3,5-bis (CF3) -triazole at 283.3 kcaVmole, i.e. a gain in terms of acidity ~ l0 pKaH2O units, hence a pKaH20 (bis (CF3) -triazole) ~ -2. This value differing from S pKa units from that determined experimentally ~ ~ ~ it is likely that the basic behavior of bis (CF3) -triazole differs from that of bis (CF3) -pyrazole in phase g ~ 7Pllce- It is therefore preferable to start from the difference in acidity observed in water ~ 4.5 pKa units ~ hence we can deduce a lower acidity in the gas phase ~ 17 kcal / mole, i.e.
~ Gac (bis (CF3) -triazole) ~ 300 kcal / mole.

Examples of weak basic anions derived from heterocycles are not limited to five-cycle atoms, as illustrated by the example of the cyano derivative (C7N7H) [Wiley] and trifluoromethane (C7FgN4H) [~ nl du tétr ~ 7 ~ pçnt ~ lène, of which we give the respective pKa in figure 3.52.

C7N7H N ~ CN pK ~ H ~~ = 3 C7FsN4H N ~ pK --2.75 Figure 3.52: pKa of the cyan derivative and peffluon "" éV, ~ le of tetrazapentalene.

219 ~ 127 , It should be noted that it is not possible to delocalize the load on all the nitrogen of the t ~ tr ~ 7 ~ pent ~ lan ~
substituted by any g ~ upe ~ slow R, nor on the sub ~,!; lu ~ nt R placed on the triazolo cycle for groul) e ... entc capable of dispersing the charge by reson ~ nce, such as nitriles, as illustrated ~ /
Figure 3.53. However, the trisubstituted derivatives ~ N ~
t ~ r ~ zap ~ n ~ alene are more acidic than lcurs ~ N ~ 3 ~ 3Nb ~ 2 ~ R
counterparts lli7U'0 ~ 7iiiUt ~ i U ~; liV ~ 7 U ~; illliU ~ lG (~ \ / R
this tr ~ dnis ~ nt an extension of the deloc ~ lic: ltion Figur ~ 3.53: Resonance form i "" ~ ass' ~.
of the anionic charge passing from the nucleus imid ~ 7Ole to the tetrazapent nucleus ~ lane In addition, chlorine re ~ gics ~ nt on C7N7- to give a chloro-C7N7 which gives back C7N7H on contact with water, we can deduce an oxidation potential of the anion ~ 4.5 Volts vs Li + / Li ~.

We also focused on the cyclic anions of the acid family barbiturate. Indeed, it is possible to obtain strong acids by substituting the labile proton present on the carbon of barbituric acid by a ~
g ~ upelllent R attractor, for example the nitro derivative (R = NO2) has a Me ~ N ~ N'Me pKadmr, o = 0.8 [Bordwell6]. In addition, it is possible to play on the length of ~ O
alkyl chains to induce potel ti ~ llPment of surfactant or R properties pl ~ ctifi ~ ntes to these anions with respect to POE chains, this concept having Acid ri ................................................. .................................., ~ tl "~ lGarbiturique already highlighted for the anions of the family of tetraalkyls suhs ~ itu ~
borcher lcherkaoui]
The interest in cyclic anions is not limited to the possibility of obtaining dissociated salts in dipolar aprotic medium, but also chemistry allowing ~ to yield to these materials, this one offering diverse and varied ways of synthesis, as we will show later. he it is possible to apprehend this problem in two ways, either by treating the main possibilities synthesis by anion family (cyclopentadiene, imidazole, triazole, tetrazole, ...), or focusing on anions derived from different pr ~ c ~ ll ~ ul ~ of great organic chemistry. These two present approaches: lnt an interest in our eyes, we commlonces by describing the anions by f ~ thousand, then in a synoptic way the possibilities of syntheses offered from a given precursor. We we are not limited to do this to fully substituted anions ~ which do not therefore more labile protons on the cycle, by glvl ~ pe ~ ntc attractors potentially ~ stable at electrochemical point of view, but also to the cycles on which it is possible to envisage modifi ~ tion.c simple chemical p ~ rm ~ tt ~ nt to obtain such deloc ~ anions licensed.

2194t ~ 7 . ..
II-3-3-2 General presentation of the heterocycles synthesis:

Cyclopentadiene family: The mono, di, and tricyane derivatives of cyclopent ~, are not synth ~ ticked by the action of cyanogen chloride on the cyclopent ~ di-ne in the presence of hydride sodium capable of extracting labile protons from the aromatic cycle. Cycle responsiveness to su ~ electro stitutions ~ hiles dim.inu2nt ~ with Ic num de grou ,, cmcn.t ~ n ~ s ce c ~ nticnt, Ics derivej ieli-, l et pen; ~ cy, ul ~; s du ~ y ~: lupe ~ die ~ 'o'O ~ mellt p, lr l'd ~ L; ul ~ d ~; Chii '~; ii ~; ulijullciiùll with aluminil-m chloride [Websbr3l. The tetracyanocyclope, nt ~ liè, rlP, is obtained é ~ l ~, m ~ nt from cyclopentane- 1, 2, 3, 4-tetracarboxylic by conversion of the carboxylic groups into nitriles, then dehydrogenation of the cycle by PCls [Cookson2l ~ as illustrated in Figure 3.54:

? ~ PaS ~ ~ POCI3> ~ PCIs ~ ~
HO2C-- co H NH3 H No ~ CONHz NC CN ~ CN
Figure 3.54: Synthesis of tetracyanocyclopentadiene.
As we have already mentioned, the possibility of making electrophilic substitutions on the carbanion of tetracyanocyclopent ~ e allows to synth ~ tick several derivatives [~ J ~ L 11, including we have grouped the essentials in Figure 3.55, vinyl tetracyanocyclopent ~ not present ~ nt our eyes most of interest for the synthesis of electrolytes with purely cationic conduction.
NC CN NC CN

N ~ CN ~ N ~ CN

NC ~ CN
Cl2 ~ ~ 6 NC ~ y - CN
NC ~ CN Cl N ~ CN CF3scl ~ ~ N

N CN

NC ~ CN NC ~ CN NC ~ CN
Ac20 ~ D ~ NaBH4 ~ ~ 6 (1) SOCI2 / Pyridine ~ ~
CF3CCkH N ~ CN N (~ CN (2) Pyridinel ~ N (~ CN
C = O H - O - OH

Figure 3.55: S ~ hs'ihnion éle., ~ R ~, ph 'e surl'anion du pentacy, l ~ pe "~.': Èr, e.

2i9 ~ 127 ._ Amine-tetracyanocylopent ~ can not ~ ~ lçmellt be obtained from tetracyanobutè.ne ~ liide, derived from tetracyanoethylene, which cyclizes after protonation in the form of the amino-pentacyanocyclopent ~ di ~ .ne, eliminating ~ nt thereafter one of its cyano groups by hydrolysis in concealed HCl followed by decarboxylation [WebsteR] ~ as illustrated in Figure 3.56.

NC CN ~ NC ~ CN
N ~ CN 6N ~ N ~ 12N N ~ CN
NC CN CN
NH7 N ~
Figure 3.56: Synthesis of am; no tetracyanocyclopentadiene.
The usual derivatives of the reaction are accessed by diazotization of this compound by nitrous acid.
S ~ n ~ meyer [~ revet WebSterl, and in particular to another synthesis of tetracyanocyclopentadiene as shown in Figure 3.57.
NC ~ CN
CuCN ~ ~
NC ~ CN NC ~ CN N ~ CN
~ HN02 ~ ~ _ CN
N ~ CN NC ~ ~ ~ CN
I + NC ~ CN

NH2 ~ N ~ CN

Figure 3.57: Synthesis of pentacyano and iodo cyclopentadiene.
The synthesis of perfluoromethylcyclopent ~ diene is also described in the literature [La9anis], however this is carried out with poor performance ~ (~ 10%) by the action of trifluorodiazoethane on perfluorotetramethylthiophene, desulfurization with triphenylphosphine, and pyrolysis.

To finish with the anions of the & mille of cyclopentadiene, let us mention the synthesis of penta-carbomethoxycyclope.n ~ n ~ ILe Gofq from dimethylmalonate and the acetyl diester ~ .ne-lic ~ rboxylate as illustrated in Figure 3.58.

002Me C02Me R ~ R MeCO2 CO2Me Cl Pyridine ~ MeC02 ~ H20 ~

CD2Me 2 MeCO2H R ~ ~ R ~ C0 M
Figure 3.58: Syn ~ hese du perlt2 ~ a ~ xy ~ yel ~ pentddWnQ

21941 ~ 7 -Azole family:

Pyrrole: Among the pyrrole compounds, two pr ~ se.nt ~ rt of interest for the synthesis of anions, it it is respectively tetracyanopyrrole (pKaH20 = -2.7) synthesized from tetracyano-1,4-dithiin [] (Figure 3.59), and perfluorotetramethylpyrrole obtained from ??? [Silvesterl from the reaction given in figure 3-60-NC ~ S ~ CN NC ~ CN F3C CF3 F3 C CF3 N3 ~ ~ CF3CF = C - C = CFCF3 Nucleophile ~
NC ~ S ~ CN NCf ~ N ~ CN R2NH F3C-- ~ N ~ --CF3 - HH
Figure 3.59: Synthesis of tetracyanopyrrole. Figure 3.60: Synthesis of perffuoromethyl pyrrole.
Imidazole: Many delocalized anions of the imidazole family are NC CN
synth ~ ti.cés from ~ minomaléonitrile (DAMN) IVJ ~ L l-RI, this molecule ~
being the HCN tetramer obtained by basic catalysis; this leads to H2N DAMN NH2 different 2-substituted derivatives of 4, 5-dicyanoimi ~ 7.ole, as illustrated in Figure 3.61.

RC (OEt) 3 H2N ~ R = Me PhOMe NC CN And o DDt ~ H2N ~ G ~ N = CH - R R - CH H2N ~ NH2 Alkyls CH3CN NC CN C ~ 3CN NC CN CF3 NC) [~ NCS / ~ le / DMF NC ~ CN ~ R ' HCOOH H2N ~ R- H
Diglyme NC CN
RO
Butanol H2N NHc = cHco2Et RC ~ CH2C02Et H2N NH2 ¦ Alkyls NC CN ~ P20s / EtOH NC CN R = ¦Phenyl Figure 3.61: Synthesis of derivatives 2-s ~ h ~ és of 4,5-dicy ~ noi "'~
The first molecules of this family were thus obtained by reaction of DAMN with the methyl orthoformate (HC (OEt) 3) or different ortho esters lU ~ - 'i Thereafter, a route of synthesis from aldehyde [Be9 ~ ed allowed to extend the possibilities of synthesis, the basis of Schiff resulting from the addition of the aldehyde to the DAMN being cyclized by oxidation by the dichlorodicyanobenzoquinone (DDQ). The use of N-chlorosllcinimide, more oxidizing than DDQ, coupled with nicotin ~ mitle allows these compounds to be obtained in a single step l0ht ~ ka1l. It is eg ~ lP.m ~ t possible to condense the B-keto esters (RCOCH2CO2R ') with the P205 / ethanol mixture, ~ 1,941 ~ 7 then cyclize the ~ n ~ mine obtained at reflux of butanol lOhtsuka21. The reaction of DAMN with acid formic reflux of the diglyme (Teb ~ 160 ~ C) results in an optimization of the synthesis of dicyanoimitl ~ 7.ole [Ohtsuka3]

Another important derivative of DAMN, 2-amino-4, 5-dicyanoimid ~ 7.ole, is obtained by reaction of DAMN with ClCN. By dia_otation of this compound, it is possible by the reaction of Sar ~ m ~, r to obtain among others, the iodo [Webs Patent]], cyano lApen, Webs Patent], and phenyl O dicyanoimidazole, t ~ i as described in Figure 3.62.

NC

NC H

NH2 ~ 2 ~) ~ ~ N + CuCN

~ ~ [~ IR
Figure 3.62: Synthesis of 2-sll-ctitués derivative of 4 5-dicyanoi ".i ~ 'e from the diazol derivative.
As shown in Figure 3 ~ 63, the reaction of orthophenylenediamine with acid trifluoroacetic in an acid medium allows syn ~ h ~ tick 2-trifluorométhylben7.imid ~ 7.01e which is oxidized by hydrogen peroxide to 2-trifluoromethyl-imid ~ 7.ole-4, ~ dicarboxylic lSmi ~ BelCher]. Per action of SF4, the carboxylic groups are converted to trifluoromethyl to result in perfluoromethylimid ~ 701e 0.

~ NH2 ~ HO2C F, ~ H
Figure 3.63: Synthesis of perHu ~ rJ ", ~ ll" / l jlnj; the The bromination of imidazole (Figure 3.64) or dicyanoimid ~ 7ole (Figure 3.65) allows synthesize respectively tribromoimidazole, and 2-bromo-4, 5-dicyanoimidazole ~ Apen], on which we can hope to make the nucleophilic substitutions specific to the molecules with characters aromatic.
H 13 H ~? ~ ~
Figure 3.64: Synthesis of Iril ~ u ~. . "idazole. Figure 3.65: Synthesis of bromodicyan ~ le.

Pyrazole: As we can see in figure 3.66, we can synthesize tricyanopyrazole by con ~ enc ~ ion of an acetylated derivative with a diazo compound, transformation of the esters present on the cycle in ~ mides ~ followed by their dehydration by P2O5 [Weis].

NC ~ CCN NC ~ CN
+ ~ ~
N2CHCOOAnd H NC2 ~ CN

MeOOC COOMe ~ N ~ CN
MeOO ~ COOMe ~ ~ H
+
N2CHCN N ~ CN
Figure 3.66: Summary of tricyanopyrazole.
Triazole: The addition of nitrous acid to the DAMN, as described in Figure 3.67, allows the synthesis of 4,5-dicyanotriazole [~ T ~ U ~ R ~ ere ~ kl. This acid is the first known example of a very delocalized organic anion of aromatic character, as attested by the electrical conductivity of its sodium salt in water IFialkof ~ proving that this compound is dissociated more than 90% in dilute solution.
NC CN
H2 ~ e ¢ HNO2 ~ h ~

Figure 3.67: Synthesis of dky ~ n ~ tr The cyclization of bis (tri ~ luoroacetyl) hydrazinelBr ~ Wn1ChamberSAbdul ~ Ghanilpar P205 allows to obtain 2,5-bis (trifluoromethyl) -ox ~ 7ole [Charnbers ~ Brown1] whose cycle is sufficient.
reactive to nucleophiles to be opened by anhydrous ammonia. By dehydration of compound obtained, we end up with 2, S-bis (trifluoromethyl) triazolel ~ wn2 ~ Tippins ~ Abdul-Ghani] such that described in Figure 3.68. This acid is particularly thermally stable, in fact the product sealed under vacuum in a test tube is not altered after several hours at 350 ~ C. Plus the acid is not hydrolyzed in concentrated sulfuric acid, nor oxidized by potassium perm ~ ng ~ n ~ e acid medium, which suggests that the oxidation potential of the anion is greater than 1.3 V / ENH (i.e. = 4.3 Volts vs Li + / Li ~).

N Nl lZ ~ ,, ~ CF3 - ONN C - CF3 2 5 ~ F30 ~ CF3 OO

N - N P20sH H NH3 anhydrous F30 ~ CF3 CF3 - ONN O - CF
H NH O
Figure 3.68: Synthesis of bis (triflu ~, u ", ~ tl, ~ l) h 3z ~

Another interesting compound of the triazole family is obtained (Figure 3.69) by the action of a azide on acetyl ~ ne ~ ic ~ rboxylate, or its diester, followed by the hydrolysis of esters in the latter case [Ch ~
Me4C ~ CO2Me HOeC ~ CO2H
HO2C - OC - CO2H NaN3 N ~ ~ N Hydrolysis ~ N ~ ~ N

Figure 3.69 Synthesis of dicarboxy triazole.
Finally let us mention the synthesis of 2-amino-5-trifluoromethyltriazole by azeotropic distillation of a m ~ l ~ nge of acetic acid and aminog ~ l ~ ni ~ inP in toluene ILoPYreVI, as illustrated in the figure 3.70. This synthesis has the advantage of being relatively simple, and of arriving at a product inexpensive potential. In addition, it is possible to envisage obtaining different derivatives thereof by diazotization, like aminoimid ~ 701e, and in particular 2-cyano-5-trifluoromethyltriazole:

I k ~ r ~ l ~ c ~ NH ~ h upe ~ N9--Figure 3.70: Synthesis of the aminotriflu ~ run, ~ / l triazole.
Tetrazole: Tetrazole and most of its derivatives are synth ~ tic ~ s by the action of an azide on a nitrile group. Nitriles substituted by an attracting group presents a special case, these groupings making attack of the azide easier, and make it possible to carry out the reactions with moderate temperatures, thus obtaining tetrazoles substituted by groups aryles [r ~ l, trifluorom ~ th ~ ne [Norrisl, and cyano [Oliveri ~, as shown in Figure 3.71. The cyanotetrazole is also obtained by a complex reaction based on simple and inexpensive products expensive lr ~ ~. schPm ~ ticked in Figure 3.72.
R ~ SO4 NC
P ~ N ~ ~ ~ NR = Ph ~ ls + MnO2 + CuSO4 ~ N ~ ~ N
H HCOOH H
Figure 3.71: Synthesis of tetrazole s ~ hstitué Figure 3.72: Synthesis of cyano tetrazole.

Tetrazapentalene: The reaction of potassium cyanide - CN H CF3 H
ssium with cyanogen leads to the formation of a ~ _N ~ ~ _N ~
cyané bicycle, le lH-imi ~ 1 ~ 7.0 [1, 5-b] s-triazole- ~, N_N ~ Nq ~ N ~ CF3 -2, 5, 7-tricarbonitrile [wileyl ~ commonly symbolized CN CF3 by HC7N7. Identically the reaction with trifluoro-C7N7H C7F9N4H
acetonitrile leads to the synthesis of 2, 4, 6 Figure 3.73: synthesis of estelrdzapenldlene ~
tris (trifluoromethyl) -l, 6a-dihydro-1, 3, S, 6a-letf ~ aL) P ~ ne; ~ "~ 1, which we will symbolize by thereafter by HC7FgN4. Figure 3.73 shows the two derivatives of léll ~ apçnt ~ lene obtained.

2 ~ 941 21 . ..
II-3-3-2 Synthesis of anions:

Famile du., ~ Clo ~, ... ladiene:

~ Pentamethyl cyclopentadiene-1,2,3,4,5-pentacarboxylate (PMCPH) is a product commercial (Aldrich, 97%). The lithium salt is obtained by treating this product with an excess of lithium carbonate (20% excess) in water, the solution immediately takes on a coloring intense red. After evaporation and drying, the product is taken up in acetonitrile, filtered, and evaporated (yield - 50%). The weak rendem.qnt is probably explained by a reaction of Knoevenagel between a carbonyl and the carbon carrying a labile proton in basic medium, also did we check the purity of the lithium salt by NMR in D20 / CD3CN. 1 H NMR: a peak (CO2CH3) at 3.6 ppm. 13C NMR: a peak (CC) at 169.353 ppm, a peak (CO2Me) at 117.855 ppm, a peak (CO2CH3) at 52.661 ppm.

Imidazole family:

~ 2-bromo-4, ~ -dicyqnc; ~ 7Ole: 0.127 mole (15 g) of dicyanoimidazole (TCI America, 95%) and 0.14 mole (19.4 g) of potassium carbonate is mixed in a beaker containing 250 ml of water, we then observe a release of carbon dioxide concomitant with the formation of the salt of dicyanoimidazole potassium. After placing the beaker in an ice bath, add by portion (for ~ 15 min) 0.127 mole of bromine (- 6.6 ml), there follows a release of CO2 in the following minutes. After one hour, 2 cc of bromine and 7 g of potassium carbonate are added.
After one night, isopropanol is added which makes it possible to eliminate the potassium hydrobromide present in the solution, then the water is evaporated on a rotary evaporator, and the synthesis product dried at 50 ° C.
under vacuum. Once dry, the product is taken up in methyl formate, filtered to remove the KBr formed during the reacdon and the potassium salt of dicyanoimidazole which may not have reacted.
We have indeed verified that this salt is insoluble in methyl formate. After evaporation solvent, and drying at 50 ~ C under vacuum, the product is recreated ~ t ~ llicé in water (~ 1 g / cc) We obtain thus ~ 28 g of the potassium salt of bromodicyanoimi (l ~ 7ole (yield ~ 94%). The lithium salt is obtained by ether extraction of an aqueous solution of potassium salt, acidified with 4M HCl in stoechiomé.trie After evaporation of the ether, the acid is taken up in water, treated with an excess of Li2CO3 (20% excess), evaporated, dried, taken up in methyl formate, filtered, and finally dried.

~ 2-chloro-4,5-dicyanoin ~ idazole: In order to avoid the manipulation of ga_eux chlorine, we used as a substitute for the sodium salt of dichloroisocyanuric acid, which is a chlorinating agent electrophile fa ~ ilement manipulable. The reaction takes place in water at low temperature (~ 0 ~ C) in p-ésellce of sodium carbonate (the choice of the base being important because of the pH which it imposes solution), as described in Figure 3.74.

o. o C 1I NC ~ CN ~ NC ~ CN
~ N ~ NNa) ~ 1 ~ 0 ~ N ~ NNa ~ 0 ~ J Igl ~ N ~ O ~ N
Figure 3.74: Summary of the sodium salt of chloro dicyan ~, ~ 7ole.
After one night, the solution is centrifuged, the water evaporated, the product dried, taken up in the formate of methyl, filtered, and dried again. This gives the sodium salt of chlorodicyanoimi ~ 7Ole (makes ~ 75%). In order to purify the product, we repa ~ sse with pot salt ~ ssinm, after extraction of acid with ether, then it is recrict ~ llized in water. The lithium salt is then obtained, after a new ether extraction, following the same operating mode as for the brominated derivative.

~ 2-trifluoromethyl-4,5-dicyanoimidazole: The reaction described in the literature ~ B ~ g ~
being carried out in two stages with a yield ~ 25%, we have considered other ways of synthesis inspired by the operating procedures developed for other derivatives of dicyanoimidazole.
First, we tried to get the product at reflux of an acid mixture trifluoroacetic and DAMN in the diglyme: we mix in - 40 cc of diglyme, 0.034 mole of DAMN (3.718 g) and 0.069 mole of trifluoroacetic acid (4 cc), then this solution is brought to the reflux. n appears after ~ 1 hour a black precipitate in the solution, after ~ 24 hours the solvent is evaporated, the product obtained is then stirred with ether, the solution filtered, this operation being repeated three times. The different ether fractions are mixed, the ether evaporated, and the product obtained taken up in water and treated with 0.02 mole of lithium carbonate (1.48 g). We thus obtain the lithium salt of trifluoromethyldicyanoimid ~ 7Ole with a yield ~ 60%, however, it is necessary note that the lithium salt probably forming a complex with the diglyme, the salt is pasty and therefore still contains a fraction of solvent.
We also tried to cyclize DAMN and trifluoroacetic acid by P2Os in acetonitrile: 0.03 mole (3.243 g) of DAMN and 0.03 mole (3.42 g) of trifluoroacetic acid and 0.06 mole (8.7 g) of P2Os, added per serving, are mixed with ~ 50 cc of anhydrous acetonitrile, and this solution brought to reflux under argon overnight. The acetonitrile is then filtered to to eliminate the black precipitate present in the solution, evaporated, then the product is taken up in water in order to hydrolyze the remaining P2O5, and the aqueous solution extracted with ether. We recover ether 1 g of trifluoromethyldicyanoimi ~ 7.ole (yield ~ 18%), then transformed into its salt pot ~ Ccillm- The same reaction carried out under reflux of ethanol results in a ren-lem ~ nt ~ 25%.
In any case, an insoluble carbon appears during the reaction, so we have eg ~ ltoment tried to start from trifluoroacetylamide in order to no longer carry out the synthesis in medium acid: l ~ ntemerlt (~ 20 min) is added 0.0216 mol (3 ml) of trifluoroacetic anhydride to 0.0216 mole of DAMN in solution in anhydrous acetonitrile at 0 ~ C. After ~ = 2 hours, the solvent is evaporated ~, and the 4.4 g of the product obtained (yield qu ~ ntit ~ tif) are dried under vacuum at 50 ~ C. This compound is then brought to reflux of a solution ~ 50 cc of diglyme under argon for ~ 24 hours, a black precipitate appears again in the solution. After evaporation of the solvent, the product is taken up in ether, then the ether solution filtered, and evaporated. We move on to salt jar ~ csillm by adding 0.012 mole (1.7 g) of potassium carbonate to the water, and excess carbonate is then removed by taking up the salt in acetone. The pasty product obtained is then washed several times with ether, armed with eliminating traces of diglyme, then we go back to lithium after extraction with ether. We end up with the lithium salt of trifluoromethyldicy ~ noimi ~ 7ole with a yield ~ 30%.
We also tried to perform an aeotropic lictillion of a mixture of DAMN, trifluoroacetic acid, and pyridine (3 times in excess of the acid), there is a again the appearance of an insoluble charcoal.
The salts obtained being all blackish, we have combined all the fractions, extracted the acid with ether, and sublimed the acid obtained at 100 ~ C under vacuum. We then obtain a white crystallized product which is transformed into its lithium salt The purity of the lithium salt is confirmed by carbon NMR and fluoride in CD3CN. 19F NMR: a peak (CF3) at -59.4914 ppm. 13C NMR: a quadruplet (C-CF3) to 150.357; 149.595; 148,847; 148.085 ppm, a quadruplet (C-CF3) at 128.532; 123.182; 117,841;
112.491 ppm, a peak at 120.037 ppm (C = C), and finally a peak at 115.160 ppm (C-CN). The microanalysis of the lithium salt gives the following proportions: C 35.15% H 1.56% N 26.09% F
24.51% (C6N4F3Li: C 37.53% N 29.18% F 29.68% Li 3.61%), the deviation from stoichiometry probably corresponds to the monohydrate of the lithium salt (C6N4F3LiH2O: C 34.31% H
0.96% N 26.67% F 27.13% O 7.62% Li 3.3%).

~ 2 ~ 4 ~ 5-lr; ~ o-imidazole: Aminodicyanoimid ~ 7ole acidified with an equivalent of HCl (4M) is diazotized with an equivalent of potassium nitrite at 0 ~ C. A precipitate of diazodicyanoimidazole, after 15 min an equivalent of NaCN and two equivalents of CuCN, it is then released from the nitrogen in the solution. After one night, add half an equivalent of carbonate of po ~ csillm allowing to precipitate a copper carbonate, then the solution is evaporated, the dried product, taken up in methyl formate, and dried. The acid is extracted with ether, then transformed into its lithium salt (yield ~ 30%).

Fan ~ Ille du Triazole:

~ Dicyanotr; ~ ole: The synthesis is carried out in accordance with the procedure described in literature 1 ~ T ~ - ~. 0.185 moles (20 g) of diaminomaleonitrile (Aldrich, 98%) are put suspended in 200 ml of water placed at the temperature of an ice bath. We then add 0.18 moles of potassium nitrite (Janssen), then the solution is brought to a pH of 2 by adding slowly 5 cc of 4M hydrochloric acid. After one hour, diaminomaleonitrile has passed solution, and the solution brought to a neutral pH by adding bicarbonate of pot ~ sillm ~ filtered on paper, acidified with 46 cc of 4M HCl, and extracted several times with ether. The dirrélelltes 21 9412 ~ ~

ether fraction are then evaporated using a rotary evaporator, after being filtered through paper. After secll ~ ge overnight at room temp ~ ure under vacuum, 18.77 g of the acid dicyanotriazole are obtained (rtondem ~ nt 86%). The present product has a slight yellow coloring, it is then sublimated under vacuum at 100 ~ C, the acid is finally obtained in the form of crystals whites with a yield of 75%. First, a spectroscopic analysis infrared acid shows the ~ bs ~ ~ -this of a band relative to the carbo ~ amide which could have resulted hydrolysis of cyano functions. The result of the microanalysis of the sublimed acid, given below, confirms the purity of the product obtained:
dicyanotriazole C4NsH analysis C: 40.44% H: 0.75% N: 58.78% C: 40.34% H: 0.85% N: 58.81%
1 H NMR in CD3CN gives a peak at 9.5 ppm corresponding to the acidic proton of the molecule.

~ 2 years ~ ino-5-trifluoromethyl-triazole: 0.22 mol (z 17 ml) of acid is added dropwise 0.2 mol trifluoroacetic acid (27.2 g) of aminoguanidine bicarbonate in 50 ml of toluene. A
once the deg ~ g ~ m ~ nt of CO2 ceased, the solution is brought to reflux in a dictation device ~ tion azeotropic. After one night, the toluene is evaporated and the product dried for 24 hours at 50 ~ C
under vacuum. It is then washed with several ether fractions, thus obtaining 28.6 g of amino trifluoromethyltriazole (yield - 94%). A fraction of the product is puri ~ ed by sublimation at 100 ~ C under vacuum, its NMR spectrum in CD3CN proves its purity. 1 H NMR: a peak (C-NH2) at 5.4 ppm, and a peak (-NH-) at 11.1 ppm, the peak ratio being from 2 to 1. 19F NMR: a peak (CF3) at -61.914 ppm. 13C NMR: a quadruplet (C-CF3) at 153.082; 152.318; 151.555; 150.801 ppm, a quadruplet (C-CF3) at 128.738; 123.404; 118.063; 112.734 ppm, and a peak (C-NH2) at 158.851 ppm.
Microanalysis gives the following result: C 23.36% H 1.85% N 36.24% F 36.82% (C3N4F3H3: C
23.69% H 1.99% N 36.84% F 37.48%).

~ 2-cyano-S-tritluoromethyl-triazole: The amino trifluoromethyltriazole acidified with an equivalent of HCl (4M) is diazotized with an equivalent of potassium nitrite at 0 ~ C. It quickly appears precipitate of diazotrifluoromethyltriazole, after 15 min an equivalent of NaCN and two CuCN equivalents, it then releases nitrogen from the solution. After one night, add a half equivalent of potassium carbonate allowing to precipitate a copper carbonate, the solution is evaporated, the product dried, taken up in methyl formate, and dried. The acid is then extracted with ether, then sublimed, and finally transformed into its lithium salt (yield - 30%).

~ 1,941 27 Tetrazole family:

~ P-nitrophenyltetrazole (Lancaster, 97%) and 3, S-bis (trifluoromethyl) tetrazole (Maybridge) are commercial products, the latter has been sublimated under vacuum at 100 ~ C before use. The lithium salts are prepared in a conventional manner, except that the lithium salt of paranitro phenyltétrl ~ ole e ~ t taken up in an ethanoVacetonitrile mixture, being insoluble in acetonitrile.

~ S-trifluoromethyltetrazole is a commercial product (Aldrich, catalog of rare products):
1.81 mmol (250 mg) of trifluoromethyltetrazole are treated with 1 mmol of carbonate lithium in water. After drying ~ ge and overnight at 50 ~ C under vacuum, the salt is taken up in acetonitrile, filtered, and evaporated. This gives ~ 250 mg of the lithium salt with a yield of ~ 96%.

~ 5-trifluo ~ ac8 ~ 1tetrazole: This compound is synthesized by the action of a stoichiometric amount of trifluoroacetic anhydride on sodium cyanide in cold THF, to form cyanide trifluoroacetyl. After ~ 30 min of reaction, a st ~ chiometric quantity of azide is added.
of sodium, and the solution is then stirred at room temperature for ~ 48 hours. After evaporation of the solvent, the product is taken up in water, acidified by an excess of 4M HCl (50% in excess) and extracted with ether. We then return to the lithium salt in the manner already explained above.

Barbituric acid family:

~ 1,3-Dimethylbarbituric acid is a commercial product (Aldrich, 98%), its salt is obtained pot ~ c.sium by shaking it with an excess of potassium carbonate (20% in excess) in ethanol for ~ 48 hours, filtration of the solution and evaporation of the ethanol. Lithium salt is obtained with lithium carbonate (20% excess) in water, then the excess carbonate is removed in taking up the lithium salt in an equimolar mixture of ethanol and acetonitrile.

~ 5 trifluo ~ etyl ~ dimethylbarbituric: the potassium salt of dimethylbarbituric acid is treated with 1.2 equivalents of trifluoroethyl trifluoroacetate in the DME. Potassium salt insoluble in EMR gradually dissolves during the reaction, once all dissolved product (~ 24 hours) the solution is evaporated, thus obtaining the potassium salt of the acid trifluoroacétyldiméthylbarbiturique with a yield qu ~ ntit ~ tif. The lithium salt is then obtained by ether extraction, tr ~ item ~ nt with Li2CO3, and the product taken up in acetol-itrile.

dibutyl-2-barl;; lul; que: We m ~ l ~ nge an equimolar amount of dibulylul ~ e and dichloride of malonyl in dichlorom ~ th ~ n ~ "we observe a release of concomitant HCl ~ nt in the reaction.
After 48 hours, the solution is evaporated, and dibutylbarbituric acid is obtained with a r ~ ndemtont qu ~ n ~ if ~ The lithium and potassium salts are obtained from their carbonates ~ spec!; rs, whose excesses are ~ limin ~ s by taking up the salts in a m ~ l ~ nge eth ~ nollacetonitrile ~

~ 1,941 27 dibubl-2-sulfonylbarbiturique: We add the ~ t ~ ment an equivalent of sulfuryl chloride in a solution of dichlorom ~ th ~ ne at 0 ~ C, conttqn ~ nt 4 equivalents of butyl ~ mine After a night, the solution is evaporated, then the product taken up in heptane, and filtered in order to ~ liminsr butylamine hydrochloride formed during the r ~ action This gives dibutylsulfonylurea with a return of 80%. Thereafter, the procedure is the same as for the dibutylbarbiturate.

._ Il-3-3-3 Conductivity of cyc anions:

Cyclopentadiene family anions:

PMCPLi: The conductivity of the lithium salt of pentamethylcyclo- MeO2C CO2Me pe.n ~ .n ~. 1, 2, 3, 4, 5-pentacarboxylate (PMCPLi) is given on the MO c ~ CO2Mefigure 3.75, for dcs compositions at C, ~, 12, e; 1 C ~ 1. romme nous + '~
can the const ~ t ~ r, the conductivity obtained is poor and does not reach a 'CO2Me value of 10-5 Ql.cm-l only for a temperature above 120 ~ C. PMCPLi ~ o-2 ~ ¦ PMCPLi ¦

E 10 4 - ~ _ O 1 0 ~ = = = ~

".7: 0 O / Li = 8/1 \\\ ~
10 - OO / Li = 12/1 8- ~ O / Li = 16/1 ~ 3 - E ~
TFSI O / Li = 8/1 - ~ 3 10 9 '''' I
2.6 3 3.5 1000 / T (K) Figure 3.75: Conductivity curve of the lithium salt of pentacarbomethoxy cyclopentadiene.
At first glance, this low conductivity may seem strange with regard to the pKa of the acid of the pentacarbomethoxy cyclopentadiene 1 o'4 in an aqueous medium, which is estimated <-7 (Cf II-3-3-1, table 3.14). In 'E 10-5 - ~ ¦ O / Li = 8/1 ¦ ~
done, this example illustrates perfect- - "-the concepts introduced E 1 o-6 ~
prev ~ emm ~ .n ~, on the influe.nce of the ~ - 1 0'7 - \ _ nature of the solvent on the solvation. ' ~ 5 ~
anions. PMCP acid is ~ '1 o-8 0 (CH3SO2) NLi \ E ~ E -facil ~ mP.nt solvated in aqueous medium, ~ ~ PMCPLi which suggests that the 1 o 2 4 2, 9 load is essentially delo- 1000 / T (K) localized on the oxygen atoms Figure 3.76: Com ~ ison of the conductivity of lithium salts PMCPLi and (CH3SO2) NLi for a c ~ i "~, os; ti., na O / Li = 8/1.
present on the cycle. However, the ., poly (ethylene oxide) being a bad solvent for hard bases, such as oxygen atoms, PMCP lithium salt is visibly very little dissociated in such a medium. Figure 3.76 shows as well as the conductivity of the lithium salt of PMCP is close to that obtained for the salt of bis (methanesulfonylimide) lithium, for the same composition at O / Li = 8/1. In assuming that these two anions pre ~ ntçnt an equivalent basicity, we can estimate, from the hypotheses formulated above mmP.nt (Cf II-3-2-1), that the pKadmSo of PMCP acid is close that of bis (meth ~ nesulfonylimide) of pKadmS ~ ~ 15 - 9 = 6, or ~ 13 pKa units more than aqueous medium.

'' _ Fan anions ~ Ille de l'j ~

BrD (: Tm ~ The condu-; livi ~ of the lithium salt of bromo-dicyanoimid ~ 7ole is given in the figure 3.77, for compositions with O / Li = 8/1, 12/1, and 16/1. For a composition with O / Li = 8/1, the con curve; vile has an identical appearance to that corresponding to a law of free volume.
This is consistent with the visual observation of the electrolyte film, which is for this composition perfectly transparent after two weeks in glove box, characterizing the amorphous state of polymer. This composition must be close to the eutecti ~ read composition, as attested moreover the a - gm ~ n ~ ion of the melting temperature of the electrolyte with the salt dilution.
1o2 10 5 - o 0 / Li = 8/1 ~
- o O / Li = 12/1 ~ -1 o-6 - e O / Li = 16/1 - ~ TFSI O / Li = 8/1 \ ~

2.5 3 3.5 1000 / T (K) Figure 3.77: Conductivity curve of the lithium salt of bromo-dicyanoi "'~ e.
This result is consistent with the hypothesis previously expressed (Cf II-3-2-1), according to which the deloc ~ licée soft bases, of which the conjugated acids have a pKaH2O ~ 1, can be envisaged to obtain appreciably dissociated lithium salts in the poly (oxide ethylene). Indeed, bromo-dicyanoimidazole, which we can estimate pKaH2O 4 (Cf II-3-3-1, table 3.17), has a conductivity which is only a factor of four lower than five, temperature dependent, relative to that of the lithium salt of TFSI at O / Li - 8/1.

Finally, Table 3.19 gives the parameters corresponding to a free volume law for the BrDCImLi and LiTFSI at O / Li = 8/1. Note that the ideal glass transition temperature for BrDCImLi is thus = 14 ~ C greater than that obtained for LiTFSI under the same conditions.
Table 3.19 raldlll ~ 1st ~~ e the law of free volume pou LI ~ FSl and BrDClmLi ~ O / Li = 8/1.
Anion A (Ql.cm-l.Km) Ea (eV) T (~ C) BrDCIm 3.2 +/- 1.6 0.08 +/- 0.005 -56 +/- 6 TFSI 15 +/- 12 0.08 +/- 0.02 -70 +/- 1 1 ~. .
ClDC ~ The conductivity of the lithium salt of chloro-dicyanoimidazole (ClDCImLi) is given in Figure 3.78, for a composition at 0 / Li = 12/1, compared to that of the brominated derivative.
1 o 2 _103- o ~ ~~ O ~ O ~ XDCImLj¦ -- ~ 10-4 - ~
Q 1 0 5 ~ ~

, 10 ~ - OX = CI O / L; -12/1 \\ E3 ~
OOX = Br O / L; = 12/1 ~ 10 7 - TFSI O / L; = 8 1 OOO / T (K) Figure 3.78: Curve of conductivity of the thium salt of chloro-dicydr ~ ,,, '7th. *.
It is remarkable to note that the substitution of bromine by chlorine improves the conductivity by a factor of about two. This salt ultimately has a lower conductivity of only ~ a factor two relative to that obtained for the lithium salt of TFSI at 0 / Li = 8/1.
This increase in conductivity of the chlorinated product, relative to the brominated product, is probably related to the respective electron-withdrawing effect of these two halides. If we refer to the data relating to this subject in table 3.15 (Cf II-3-3-1), it appears that the coefficients of H ~ mmett of these two halogens are substantially equivalent. 1 o-2,,,, ~,. .
However, it should not be forgotten that - 1 o-3 - ~ ~ L ~
the resonance part depends on the recovery of the orbital 1 ~ of E 1 0-4 halogen with the aromatic cycle. ~ 10-5 Therefore, it can be assumed that this. ~ \ \
~ _ 1 o-6 ~ e ClDClm O / Li = 12/1 \ \
recovery is influenced by g \ \
~ ~ DMATFSI O / Li = 1211 1 nature of halogen, and may encourage ~ 10 7 1- TFSI O / Li = 8/1 ~ 3 synth ~ tick, thereafter, the derivative 1 oH-fluorinated dicyanoimi ~ 701e. 2, 5 3 3, 5 1 oOO / T (K) Figure 3.79: Co "" ~ a, ai ~ n of the conductivity of the lithium salt of As illustrated in fililage 3.79, the choro-dicyan ~, '.,.''-,' eetdudiméthylaminoTFSlàO / Li = 12/1.
conductivity of this salt is practi-cely identical to that obtained, for the same composition, with the lithium salt dudiméthylaminoTFSI, while p ~~ se ~ t the advantage of not using fluorine chemistry.

CF3DCImLi: The conductivity curve of the lithium salt of trifluoromethyl-dicyanoimi ~ 7ole (CF3DCImLi) is given in figure 3.80, for compositions with O / Li = 8/1, 12/1, and 16/1.
102,,, I

1 0 ~ 3 - ~ a ~ CF3DClmLi ¦

,. o - ~

~ O / Li-12/1 ~
o - o O / Li = 16/1 ~ ~
10 ~ TFSI O / Li = 8/1 ~ ~

.8,,,, I,,,, ~
2.5 3 3.5 1000 / T (K) Figure 3.80: Conductivity curve of the lithium salt of the trfflwr "" ~ dicy ~ noi ".: '- .'e.
It is interesting to note that the conductivity is identical for these three compositions, when the electrolyte is in a molten state. On the other hand, it is surprising to note that for the same composition at O / Li = 12/1, the conductivity of the lithium salt of dicyanoimidazole substituted by a trifluoromethyl group, is less than that for the molecule substituted by a chlorine, and identical to that of the molecule subs-bromine-like, as illustrated in 1 o-2 Figure 3.81 for the latter. In --1 o-3_ ~ ¦ O / Li = 12/1 ¦ _ assuming that this expresses the influence E ~
of the substituent on the dissociation of 'E 10 ~ p ~
salt, the information given in the ~ ~ o-5- ~
table 3.15 (Cf II-3-3-1), would tend to ~ ~ \
suggest that in this case the effect ~, 1 ~ o CF3DClm \\ ~ 1 of the substituent is described essen- O 10-7- 1 ~ 1BrDClm \ 9 -partly by the inductive part which ~ 8- ~ -is ~ specifcally equal to 0.42 for the 1 2, 5 3 3, 5 trifluoromethyl group, and 0.44 1 oo 0 / T (K) Figure 3.81: Com, comparison of the conductivity of the brominated derivative for bromine. This reasoning etdudérivétrifluorom ~ Jrlédudicyan ~. ',.''7. ~, aO / Li = 12/1 simple, whose validity, if it turns out exact, po ~ likely to be confirmed ~ by quantum mechanical calculations, does not explain however not the conductivity obtained with chloro dicyanoimid ~ ole. This family of salts deserve a complete study of their properties by developing their phase diagrams in polymer medium, and the determination of their pKa and DNX- ~ solv in aprotic medium.

2i 941 27 An ~ ions of the family of Ir. ~ ~ E-TFCTrLi: The conductivity curve of the lithium salt of trifluoromethyl-cyanotriazole (TFCTrLi) is given in Figure 3.82, for compositions with O / Li = 12/1, 14/1, and 16/1.
-2,,,, I

10-3 ~ Tr ~, T ~ Li I _ ~ 1 0-4 10 5 ~
~ OO / Li = 12/1 ~ OO / Li = 14/1 o ~ o O / Li = 16/1 ~
10 ~ TFSI O / Li = 8 ~ ~
-a,,,, I,,,, ~
2.5 3 3.5 1 OOO / T (K) Figure 3.82: Conductivity curve of the lithium salt of trifluoromethyl-cyanotriazole.

N - N Figure 3.83 compares the conductivity of the trifluoromethylated derivative of cF3 ~ e, ~ cN cyanotriazole, relatively to that of dicyanotriazole, for the same u + composition at O / Li = 12/1, this comparison drawing its interest from the fact that these TFCTrLi two salts contain each at least one 1 o 2 cyano grouping, and a ~ 3 ~ grouping trifluoromethyl, although in positions not E ~) ~ _ ~ _ identical. As this figure illustrates, ~ 10 4 the conductivity for these two salts is o .5-substantially equivalent. This result is in agreement with the proximity of the values of ~, 1 0 oTFCTr O / Li = 12/1 ~ -pKaH2O of the two acids as derivatives, that O 1 ~ ~ ~ ~ 3TFSI O / Li = 8/1 ~ 1 ~
we can estimate between 2 and 3 (Cf II-3-3-1, C) ~ 8. I
Table 3.17), and suggests, in the 1 ~ 2.5 3 3.5 present case, that the conductivity is 1000 / T (K) - Figure 3.83: C ~ ", f ~ r .i ~ n of the conductivity of the derivative essentially linked ~ the basicity of triflu:, rui ,, t ~ lédudicyanoi ".e etducy ~ nc.lriazole anions. However, the nature of the cycle aromatic bearing the subs ~ itu ~ nts ~ in other words the imid? 7ole or the tria_ole, do not seem to play here a big role on the conductivity of the lithium salts in derivatives in the poly (ethylene oxide).

DCTrLi: The conductivity curve of the lithium salt of dicyanotriazole (DCTrLi) is given on Figure 3.84, for compositions with O / Li = 6/1, 8/1, IV, 14/1, and 16/1.
1 o-2 E 1 ~ 4 ~ 10 5 - OO / Li = 6/1 '~ D e O / Li = 8/1 \' ~
o-6 0 O / Li = 12/1 ~
O / Li = 14/1 ~ \ ~
1 0 7 ~ ~ O / Li = 16/1 ~
TFSI O / Li = 8 ~ 3 0 ~
2.5 3 3.5 1 OOO / T (K) Figure 3.84: Conductivity curve of the lithium salt of dicydnolr _; 'e.
Unlike the previous examples, the lithium salt of dicyanotriazole has an optimum of particularly marked conductivity, and this for a composition with O / Li = 14/1. It is probable let this fact be linked to the structure of dicyanotriazole, which is a flat and symmetrical molecule.
For this optimum conductivity, this salt has a conductivity 1.5 to 2 times lower, in the temperature range included between 40 and 60 ~ C, at the optimum of 6 o A
conductivity of LiTFSI. This result is ¦ ~ Lixpt T = 80 ~ C v = 20mV / s particularly encouraging for the 2 0 ~ ~ _development of non-fluorinated substitute for ~ ~ ¦
TFSI, due to the simplicity of synthesis of '- 2 ~ ~ ~ ---- H2O
this molecule and its moderate cost. - 4 0 ~
- 6 0 - ¦ DCTr O / Li = 20/1 ¦ -Therefore, the study of the stability domain - 8 ~ ~ Li ~ + e ~ Li ~
electrochemical of dicyanotriazole present 1 0 0 0 1 2 3 4 a very special interest. The result of E (Volts) vs. Li '/ L i ~
cyclic voltammetry, obtained on a Figure3.85: Voltai "", ~ l, iecycliquedudicydn ~ zule.
platinum microelectrode with a diameter of 125 ~ 1, for an electrolyte with a composition at O! Li = 20/1, is given in Figure 3.85 [~ anl3], As we can coll-ct ~ ter ~ this anion has an oxidation potential of at least 4 Volts relatively to lithium, and seems stable in reduction with respect to a lithium electrode. This dom ~ ine of stability of at least 4 Volts is a priori sl ~ ffis ~ nt for the intended application, and justifies a cycling test of a battery using this anion as a salt, replacing LiTFSI.

Let's take a look at the fan:

Figures 3.86 and 3.87 pr ~ se.ntent ~ eelivell, ent, the conductivity of the lithium salt for a composition at O / Li = 8/1, lV1, and 16/1 of nitrophenyl-tetrazole (NPTétLi), and for a composition at O / Li = 12/1 for bis (trifluoromethyl) phenyl-tetrazole (bT ~ letLi). In both cases, the con. ~ u. ~, deliveries obtained are low, and reach a value of 10-5 Q ~ l.cm ~ l only for z 60 ~ C.
10'4 '''' I ''''10'4'''' I
1 oS ~ ~ -E 1 0 ~ bTFPTétLi ¦ -E 10 6 - \ - '1 o 6 - ~ _ ~ 10 7 ~ -, 10 ~: O 8/1 - ~
C ~ 1 o'8 - o 12 ~ 1 o-8 0 16/1 ~ ¦ o 0 / Li = 12/1 ¦

1 OOO / T (K) 1 OOO / T (K) Figure 3.86: Salt conductivity curve Figure 3.87: Salt conductivity curve of para-n ~ lithium. uf ~ hey, lyl-t ~ lr. ~ 'e. of lithium from bis (trifluoromethyl) phenyl-telr - ~' e Figures 3.88 and 3.89 show the conductivity of the lithium salt of the triQuoromethyl (CF3TétLi) and trifluoroacetyl-tetrazole (CF3COTétLi), for the same composition at O / Li = 12/1.
1 o 2,,,,,,,,,, 1 o-2 1 o 3 - ~ _ ¦ CF3TétLi ¦ _ 1 o 3 - ~ - ¦ CF3COTétLi ¦ -u 10 - ~ 10 . ~ 10 ~10 6_ \ -~ 1 0 7- \ ~ - ~ 10 7 - ~ -- o O / Li = 12/1 - ~ - o 0 / Li = 12/1 ~ -10 -TFSI O / Li = 8/1 1 0 3 - _ ~ TFSI O / Li = 8/1 \ ~

~ 2.5 3 3.5 102.5 3 3.5 1 OOO / T (K) 1 OOO / T (K) Figure 3.88: Salt conductivity curve Figure 3.89: Salt conductivity curve lithium triflu ~ run. ~ t ~ 'e.Iithium triflwr.Jacetyl- ~ elr. - 'e . ~
It may seem sul ~, renant, to note the lower conductivity of tetrazole substituted by a trifluoroacetyl group, with respect to that carrying a group trifluoromethyl, conn ~ s ~ nt the least attracting power of the latter. It 3 ~ Cprobable, that the trifluoroacetyl-tetrazole has such a geometry that it can ~, C - N "
form a five-atom ring (indicated in bold in the diagram ~ m ~ above) which chelates (~) N ~ Ne ~ N
the lithillm cation The resulting association constant decreases the CHELATE accordingly apparent dissociation of salt, this result could be confirmed, by a study of the acidity of this salt in DMSO, thanks to the methods developed for this purpose (Cf II-3-1-2).
..
Figure 3.89 compares the conductivity of trifluoromethyl-tetrazole to that obtained for dicyanotriazole, for the same composition at O / Li = 12/1, even if it does not correspond not at the optimum conductivity for dicyanotriazole, it seems more judicious to compare the respective conductivities under these conditions. This comparison is of particular interest, since dicyanotriazole and trifluoromethyl-tetrazole have a substantially pKaH20 equivalent -1.5 (Cf II-3-3-1, table 3.17). As a result, under these conditions, the conductivity of trifluoromethyl-tetrazole is less than a factor of two less than that of dicyanotriazole. he would be n ~ ce.s ~ ire to extend the range of compositions stu ~ i ~ es for trifluoromethyl-tetrazole, in order to determine whether the conductivity obtained at O / Li = lVl corresponds to the optimum for this salt.
1 0-3 ~ '1 0 3 2 / ~ ¦ 'E 1 o ~

~, o DCTrLi \ ~ -10 7- 0CF3TétLi - cl CF3TétLi ~ o 1 o ~ 8 - TFCTrLi ~ -~ 1 o-8 ~ ~ 1 0 2.5 3 3.5 2.5 3 3.5 1 oOO / T (K) 1 oOO / T (K) Figure 3.89: Co ,,,, v ~ r ~ ison of the conductivity of the salt Figure 3.90: Comparison of the conductivity of the salt lithium from Cf3TétLi and DCTrLi at O / Li = 12/1. lithium from Cf3TétLi and TfCTrLi a O / Li = 12/1.
Figure 3.90 shows the conductivity of CF3TétLi, relative to that of trifluoromethyl-cyanotriazole, for the same composition at O / Li = 12/1. The latter, despite a pKaH2O also close to that of tetrazole (~ 2 to compare to 1.7 for tetrazole) is practically three times more costly. This result poull ~ l suggest that the nature of the substrate in this case, but it would be risky to try to draw too hasty conclusions from it, considering the little thermodynamic data available on azoles s ~ lkstitués in aprotic medium.
To finish with tetrazole, it would probably be int ~ l to seek to synthesize the derivative trifluorom ~ th ~ nesulfoné, which should improve nettPm ~ nt the condu ~; livi ~ relatively to CF3TétLi.

~. 101 ~ 1 9 ~ 1 27 Fan anions of barbiluric acid:

MeBb: Figures 3.91 and 3.92 give ~ -nt respecLi ~ el "ent the conductivity of lithium salts and potassium of dimelhylbarbiluric acid (MeBbM), for a composition with O / Li = 8 / l, 12/1, and 1/16. Even if the con ~] vcliviles obtained are relatively low, and n '~ ttei ~ n ~ nt conductivity close to 10-5 Ql.cm ~ l than around 100 ~ C for the best of this family of anions is not devoid of illt ~ lGt, from the many po.ccihilit ~ s to play s., i the chemistry of these acids.
1 0'4 10 ~ 4 o-5 ~ MeBbLi ¦ _ ~ 1 0'5 -El o ¦ MeBbK ¦
E; ~ 10b ~

~ - O 8/1 ~ ~ 0 8/1 8 1 o-8- o 12/1 \\ -8 1 o-8- 0 12/1 \ ~
- o 16/1 o 16/1 \ ~

10 9 ~ 10 9 '''' I
2.5 3 3.52.5 3 3.5 1 OOO / T (K) 1 OOO / T (K) Figure 3.91: Conductivity of the lithium salt of Figure 3.92: Conductivity of the pot salt ~ s ~ iurn of dimethyl acid ~, b.itl ~ rique.l'acid dimét ~ ylL, arb, ~ rique.
First, it is surprising to note that the conductivity in lithium and potassium presents a very marked optimum for the composition at O / Li = 12/1, and especially that for this one, the lithium salt of dimethylbarbituric acid is more conductive by a factor of two than the salt of potassium. The same goes for the composition at O / Li = 8/1.

This result is surprising to say the least, potassium salts being generally more dissociated and less crosslinked energy ~ ire than their lithium counterparts and gives electrolyte films to the times more amorphous and more conductive. It is possible to advance the hypothesis that the displacement of the lithium is carried out, in this case, by a m ~ vehicle transport mechanism, to explain these conductivity values. The principle of such m ~ C ~ nism is illustrated by the equation below:
Vehicle transport: 2 MeBb ~ + 2 Li + () 2MeBb ~, Li + Li +

This amounts to considering that a fraction of the lithium is transported in the electrolyte in the form anionic, and therefore, with a higher transport number (t- ~ 0.7) than that relating to the cation lithium (t + ~ 0.3) moving by a mechanism ~ nicm ~ of solvation / desolvation along the propellers of poly (ethylene oxide). This hypothesis implies that the anion of dimethylbarbituric acid is .
capable of complexing the lithium cation, as illustrated in Figure 3.93, and ~ o thus masking the charge of the cation with respect to poly (ethylene oxide). Me ~ NJ ~ N, Me I el This assertion is not meaningless, since the two carbonyls and the ~, co acid carbon form a five-ring capable of complexing the cation (~) H
lithillm, and similarly to acetyl acetone which has a constant o ~, c ~ "o high association for lithium of pKaSs = i, 77 [~ o ~ welq. On the contrary, the c ~ c association constant is significantly lower for potassium, Me '~' Me pKasS = 4.77 18ordWelll. All this could explain in the end, the slightest o conductivity of the potassium salt of dimethylbarbituric acid, Figure 3.93: Con.r '~; on relative to the lithium salt. Again, it would be required ~,; re deLilparllanionduMeBb.
to carry out a study of the complexing properties of dimethylbarbituric acid in DMSO, to using the methods developed for this purpose (Cf II-3-1-2), in order to confirm the hypotheses put forward previousmP.nt The carbanion of dimethylbarbituric acid being sllffis ~ mment reactive to perrnettre nucleophilic substitutions on this substrate, Figure 3.94 gives the conductivity of the lithium salt of trifluoroacetyl-dimethylbarbituric acid 'N, ~ Li +
(TFAMeBbLi), for a composition with O / Li = 8/1, 12/1, and 16/1. The presence o = ~ e) - Icl - CF3 of the trifluoroacetyl group makes it possible to gain more than an order of magnitude / N ~ o on the conductivity obtained at 120 ~ C (- 2.10-4 Q ~ l.cm ~ l), relative to that TFAMeBbLi for dimethylbarbituric acid (= 2.10-5 Q ~ l.cm ~ l), and this for the optimums respective conductivity for each of these salts, i.e. at O / Li = 12/1 for the lithium salt of the acid trifluoroacetyl-dimethylbarbituric, and at O / Li = 8/1 for dimethylbarbituric acid.
10-3 '''' I '''' 10-3 - '~ 4 ~, ¦TFAMeBbL ~ O / LI = 8 / 1¦
- 10 5 ~ - 10 - ~ -10 O 1 6/1 ~ CF3COMeBbL;
1 ~ 2 5 3 3.52 5 3 3 5 1000 / T (K) 1000 / T (K) F; 9Ure 3.94 Conductivity of the lithium salt of F; 9Ure 3.95 Conductivity of the potassium salt of trifwruacélyl-dimethylbarbituric acid. Trifu ~ r acid, ac ~ tyl-dimethylbarbituric.

The ~ increase in conductivity is even more spect ~ ul ~ ire for the same composition to O / Li = 8/1, between MeBbLi and TFAMeBbLi, as illustrated in Figure 3.95.

BuBb: It is also possible to play on the length of the alkyl chains to modify the physicochemical properties of barbituric acids. Figures 3.96 and 3.97 thus give the con-lu; ti ~ ilé lithium salts and pot ~ bcc ~ lm dibutylbarbituric acid (BuBbM), for a col ~ position at O / Li = 8/1, 12/1, and 16/1. Conl. ~ U ~ .uent with lithium salts and pot ~ csillm of dimethylbarbituric acid, a marked optimum of conductivity is no longer observed; Moreover, potassium salts are more conductive by at least an order of magnitude relative to their counterparts in li ~ hinm This is not in contradiction with the preceding hypothesis of a transport partial ~ vehicular lithium with dimethylbarbituric acid, steric hindrance r ~ sult ~ nt of the presence of groupem ~ ntc butyles limit ~ nt probably the possibilities of existence of a stable complex between a lithium cation and two anions of dibutylbarbituric acid.
1 0 ~ 3 1 0'3 0 ~ 4 - ¦ BUBbLi ¦ ~ 1 0 ~ 4 _ ~ ¦ BUBbK¦

0 ~ o 8/1 10- ~ - + 12/1 - ~ 1 o-8, = 12/1 10 9 ~ 10'9 2.5 3 3.52.5 3 3.5 1000 / T (K) 1000 / T (K) Figure 3.96: Conductivity of the lithium salt of Figure 3.97: Conductivity of the p ~ t ~ c ~ n salt of dibutyl acid ~~ ique.I'acid dibutylbarbiturigue.
The visual aspect of films is profoundly modified by the substitution of methyl groupings by butyls, in fact, very crystalline films for methyl take on the appearance because ~ ctéristique of electrolytes in an amorphous state, by their transparency, with butyl. It exists therefore an effect of internal plasticization of the poly (ethylene oxide) chains by this salt, resulting from the increase in the length of the alkyl groups. It would be necessary to qu ~ ntifier this parameter by the study of p-opl; thermal summers of m ~ l ~ nges polymers / salts.

On the other hand, the presence of gloupe --- butylentents makes it easier to dissolve the salts, made of the ~ ulion of their reductive energy which results from the d ~ so ~ t; introduced by these.

2194 ~ 27 BuSBb: Figures 3.98 and 3.99 data ~ .nt lc; spe ~; live ~ salt conductivity ~~ "~
lithium and potassium salt of dibutylsulfonylbarbituric acid 'N'S'N'BuLj +
(BSBbM), for a composition with O / Li = 8/1, 12/1, and 16/1. The conductivity of O ~ O
lithium salt is no more than a factor of three lower than the salt of su potassium from dibutylsulfonylbarbituric acid. Here too, the films obtained, by their ~ ~, lce, p. ~ é ~ PlPmçnt calaetl ~; cti ~ read vi. ~ u ~ lles of an amorphous electrolyte.
10'3 10 3 _.10 ~ __ ~ BuSBbLi¦ - _ 10 'sl ~ BuSBbK¦ ---1 0 6 ~ 1 0 6 _ ~ _ 10'7- ~ 8/1 ~ - ~ 10'7- ~ 8/1 ~ -1 o 8 - = 12/1 ~, 9 ~ 1 o 8 _ = 16/1 1 0 9 ~ 10 9 '''' I
2.5 3 3.5 2.5 3 3.5 1000 / T (K) 1000 / T (K) Figure 3.98: Conductivity of the lith salt; um of Figure 3.99: Conductivity of the potassium salt of dibutylsulfonylL ~, b. "~ rique. dibutylsulfonylbarbituric acid.
Figures 3.100 and 3.101 compare the conductivity obtained, for the same composition at O / Li = 12/1 respectively for the lithium and potassium salt of BSBbH acid.
10'3 10 3 ~ 10 4 - ¦ 0 / Li = 12/1 ¦ _ 10.4 ~ 0 / K = 12 / 1¦ -~ ~ 01 0 ~~
~ 10 7 - \ \ "10 -O o MeBbLi ~ ~ ~ ~ c oMeBbK ~
o 1 o-8; ~ BuBbLi 1 ~ 8 ~ 9 o BuSBbLi oBuSBbK
2, 5 3 3, 5 2, 5 3 3, 5 1000 / T (K) 1000 / T (K) Figure 3.100: Con, f, ar .. ison of the conductivity of Figure 3.101: Co "" ~ ar ~ i., On of the conductivity of lithium salts of various barbituric acids. salts of po '~ sc ~ 7 of various barbituric acids.

~ 1 94127 -The conductivity of li ~ hillm salts, when the electrolyte is in a molten state, changes as follows:
BuBbLi <MeBbLi <BuSBbLi The m ~ illellre conductivity of the sulfonated derivative can probably be explained by a lower basicity of the anion, the sulfonyl group dispersing part ~ ment the anionic charge by inductive effect according to the link network ~, more çfflc ~ cemellt than the carbonyl of dibutylbalbilu ~ ic acid, and thus makes it possible to gain approximately a factor two in conductivity. However, it is interesting to note that the lithium salt of dimethylbarbituric acid is more conductive than its dibutylated counterpart, but in this case, the possibility of vehicular transport of lithium makes difficult the colllpal; lison of values of con-lu-; livi ~ s.

To overcome this problem, it is more judicious to compare the conductivity of the salts of potassium. The strength of dimethyl and dibutylbarbituric acids must be relatively close, the dramatic increase in conductivity by more than an order of magnitude is essentially assign to the pl ~ ctifi ~ nt effect butyl segments.

A more detailed study of this family of salts presellt it has an interest both theoretical, and convenient. The ease of modifying the structure of the anions, and the pKa in the acid DMSO
barbiturate, which we can estimate close to 5, allows us to consider making a correlation between the data likely to be determined in the DMSO, both in terms of acidity and complexing properties, and thermal and conduction properties in poly (oxide) medium ethylene) of these anions. This approach requires extensive work at the experimental level, should make it possible to provide interesting information on the relationships between the structure of anions and the properties of the salts as derivatives in a solvating polymer medium, such as POE.

From a practical point of view, it would be interesting to seek to optimize the conductivity of the salts derivatives of these anions, first of all in the influence of the length of the segments aL ~ yle, and in particular propyl and ethyl, the butyl groups probably do not represent the optimum in this sense. It is also possible to introduce reactive functions such as allyles or vinyls which would allow grafting or homopolymerizing these salts.

On the other hand, for groul) elllent aL ~ cyle presents ~ nt the opdmum of conducdvité, it would be n ~ cess ~ ire to study the influence of the labile proton substitution by an electron-withdrawing group, such as a trifluoroacetyl or cyano group, and more particularly by a trifluoro-group meth ~ nesulfonyl. We can thus expect to obtain anions present ~ nt conductivities of interest, and whose surfactant properties could have a beneficial effect on the function ~ b ~ t ~, laughs, and pardculier on the mic ~ s ~ ulc; of lithillm, following its dissoludon and redeposidon during battery charge / discharge cycles.

lI 3-34 Perspectives:

The chemistry of heterocyclic compounds makes it possible to envisage the synthesis of anions whose conductivity is close to that obtained with the lithium salt of bis (trifluorom ~ th ~ ne-sulfonylimide). Given the richness of this chemistry, it is likely that there is at least one CG ~ .rOS ~ of this ~ e family of anions which ~ .... and ~. ~ it to obtain both appreciable conducliviles in a poly (o ~ ethylene cyde) medium, a stil ~ elelochromic s ~ lffic ~ ntP ~ for gal ~ ltir a duration life impol ~ te batteries incorporating them and a moderate cost, the latter point being not to be overlooked since the lithium salt of bis (trifluoromethanesulfonylimide) represents a significant fraction of the calculated cost of b ~ tteries with polymer electrolytes.
If we restrict ourselves to primary generators, cost is still a more determinative element, and a anion like dicyanotriazole, by the conductivity of its lithium salt in POE medium, and its ease of manufacture and purification, will be cert ~ inPmPnt of great interest, both for ~ n ~ r ~ primary tellrs utili.c ~ nt liquid electrolytes than polymer electrolytes. Moreover, the lithium salt of dicyanotriazole is not hygroscopic, unlike LiTFSI, this parameter is to be taken into consideration as part of an industrial process.

The use of dicyanotriazole in a rechargeable generator poses the problem of stability at long term nitrile functions with respect to a lithium electrode, which remains to be demonstrated.
However, it would be possible to use the perfluoromethylated equivalent of this anion, which can be hope to synthesize by the action of an azide on hexafluorobutyne, a by-product of PTFE manufacturing, as illustrated in the figure below:
F3C ~ CF3 CF3 - C ---- C - CF3 + NaN3 ~ N ~ ~ NN a In addition, the synthesis of the perfluoromethylated derivative in 1-3 is known, and one can even consider obtain it by a simpler route than that described in the literature, by adding the trifluoroacetyl hydrazide on trifluoroacetonitrile, then by dehydrating this product using P2Os. Trifluoroacetonitrile being a relatively simple precursor to manufacture by dehydration of trifluoroacét ~ mide ISolVaYI, which can be obtained simply by the ~ listill ~ tion ~ eotropic in toluene of m ~ l ~ n ~ e of an aqueous solution of ammonia and trifluoroacetic acid.

CF3CN + CF3 - HERE r '~ N ~ CF3 - C N - N C - CF3 2 5 ~ F3C ~ ~ CF3 OH ~ NH2 H
In addition, the pru ... ~ lle ~ results on halogenul ~ s of dicyanoimid ~ 7ole, l ~ issçnt glimpse a potential interest for the synthesis of bis (trifluoromethyl) pyrazole halogenules, and in particular chloro-bis (trifluoromethyl) pyrazole (see figure below), which has the advantage of not ~ 194127 cor ~ hold of ~, pe ~ -Nitrile ~ in the é ~ bed ~, of their ~ & ~ Delivered screw of a lithinm electrode The conductivity of the lithium salt of this anion should, a priori, be of the same order of magnitude as that obtained with the lithium salt of chloro dicy ~ noimi ~ 7ol ~

F3C ~ CF3 ~ F3C ~ CF3 K + a Finally, let us point out the synthesis opportunities offered by the trifluoromethanes ~ llfin ~ te which is an agent s-lffic ~ mment nucleophile 1 ~ 1 to consider its reaction on diazotized derivatives amino azoles, which would synthesize the trifluorométh ~ neslllfonés derivatives described on the figure below:
N ~, ~ CN
CF3SO2 ~ g ~
N CN

CF ~ Br + KZ5204 ~ CFzSCzK ~) ~ CF350 ~ rN \
N ~
The interest in this compound is motivated by its synthesis which does not pass through a fluorinatioh path electrochemical expensive, but by the chemical reduction of Freon 13Bl ~, product of the great organic chemistry, by sodium dithionite.

II-3-3-5 Conclusion on cyclic salts:

The present study proves the interest of heterocylic anions in the field of electrolytes polymers. This is motivated by both the results obtained in summer ~ nt the conductivity of the salts of lithium from these anions in poly (ethylene oxide), due to the great richness of the chemistry used for the synthesis of these anions, perrnett ~ nt thus to consider the development of other derivatives. This chemistry should find an important place in the field of batteries in the future polymer electrolytes, and néccssiL ~ to extend the study of the chemistry of these anions, but also to optimize the synthesis of those which will present the best performances in the batteries.

In the particular case of the family of barbituric acids, the ease of modifying the hydrophobicity and the strength of these acids suggests interesting applications in the particular field phase transfer catalysis. Such an app ~ ation ~ even if it exceeds the framework of the present works, ~.; Le. ~ l however that it is devoted to a complete study of the properties of these acids.

_ II-3-4 Conclusion on alkaline salts:

The chemistry of anions to obtain metal salts ~ lc ~ linc dissociated in the media liquid or polymer aprotics in the end have hardly changed in the last twenty years. Except the introduction of the bis (trifluoromethanesulfonimide) anion a decade earlier, which is fast becoming a reference in the dom ~ inP- of b ~ tter ~ es with lithinm, the majority of work focused on fluorinated coordination anions or on perfluorosulphonates.

In fact, most of this work has focused on the .echelche of anions derived from very acidic strong, but relatively to the acidity in aqueous medium, so triflic acid is considered as a superacid in water with a pKa of the order of -10. However, while it is preferable to obtain a very strong acid in water use anions whose charge is carried by a base hard, like the oxygen in sulphonates, on the contrary, obtaining strong acids in the environment aprotic requires the use of anions whose charge is carried by a delocalized soft center pennP, tt: ~ nt to decrease the charge density in the volume of this anion as much as possible.

Thus, we could estimate that the acid of bis (trifluorom ~ th ~ nesulfo ~ imide) has a lower pKa eight orders of magnitude when passing water to DMSO. Based on this observation, it is more it makes sense to focus only on the chemistry of delocalized bases. Concepts from the organic chemistry are in perfect agreement with the results obtained by studying the conductivity lithium salts derived from these anions in poly (ethylene oxide).

This study made it possible to widen the field of the chemistry of these anions, on the one hand to molecules relatively simple, such as the anions derived from malononitrile or cyanamide, and especially to the chemistry of heterocyles which offers many opportunities for system, and whose application to the field of lithium batteries with polymer electrolytes will be cert linemPllt fruitful in the years to come.

In addition to the application problems of these materials, it appears that the concepts from the organic chemistry are of great interest for polymeric media, and it is likely that joint work on the acidity in a liquid aprotic medium of the different anions studied, relatively to their polymer conduction properties, as well as the establishment of their phase, will enrich the knowledge specific to the particular field of physico-chemistry polymer electrolytes.

.
II-4 CONCLUSION ON THE ELECTROLYTES:

The study of polymer electrolytes is m ~ int ~ n ~ nt initiated since a qllin7 ~ ine years, and more and more works are devoted to them.

The aim of the present study was, as well for the electrolytes with proton cor ~ uction, that the electrolytes conduction by alkali metal salts, to conduct prospective research allow ~ nt to consider new ways of synthesis of these materials.

As a result, organic chemistry still offers many opp ~ llunities to improve properties of these m ~ téri ~ both from the applied point of view, whether in the field of b ~ tt ~ ries polymer electrolytes than electrochromic glazing for example, that from a more background ~ m-have ~ l, showing the importance of concepts from organic chemistry in the field materials for the electrochemistry of solids. We can also attribute the little renewal concepts sometimes found in this area to the lack of interactions between the world of electrochemistry and that specific to organic chemistry.

~ 21,941 ~ 7 Bibliography:

[Abdul-Ghani] Abdul-Ghani, M .; Tipping, AEJ Fluorite. Chem. 1990, 48, 149-152.
[Al11]
[Alloin1] Alloin, F. Thèse de l'Université de Genoble, INPG, (1993).
[Alloin2] Alloin, FJ C / ~, ~ t ~ hei, L Soc. 1994, 141, 1915-1920.
[Angell] Publi Nature [Apen] Apen, PG; Rasmussen, PG llJter ~ rcles 1989, 29, 1325-1329.
[Armand1] Armand, MB; Chabay "o, JM; Duclot, M. Fast lon Tidns ~ ll in Solids (P. VashRa, JN Mundy, GK Shenoy Eds.), Elsevier-North Holland New-York 131 (1979).
[Armand2] Singapore [Armand3] Armand, M. r ~ ly ,, ~ e ~ S at Condonique lonique, 8th GFP educational course, ~ o ~ ri ~ lss electric despolymères, September 7-9, 1992, Dijon, published by the GFP.
[Armand4] Armand, M. SolidState lonics, 1994, 69, 309-319.
[Armand5] Arrnand, M .; Sanchez, JY; Gauthier, M .; Choquette, Y. Electrochemistry of Novel Materials (P. Ross, J. Lipkowski Eds.), VCH pu '' he, ~ New York 1993.
[Armand61Arrnand, M. P ~ erElectrolyte ncvi ~ "~ 1 p1-22.
[Bertier]
[Biel ~ ~, n] Biel ~ ~, en, G. cie ~, tlu ~ rn. Acta 1992, 37,1471-1478.
[Bordwell1] Bordwell, FG; Branca, JC; Hughes, DL; O '..,:, ~ ead, WNJ Org. Chem. 1980, 45, 3305.
[Bo, d- ~ _112] Bordwell, FG; l lar. ~ lson, JA, Jr .; Zhang, XJ Org. Chem. 1991, 56, 4448.
[Bordwell3] Bordwell, FG; McCallum, RJ; Olrnstead WNJ Org. Chem. 1984, 49, 1424-1427.
[Bordwell31 Bordwell, FG; Branca, JC; Hughes, DL; Ol.,.:, ~ Ead, WNJ Org. Chem. 1980, 45, 3305.
[Bo- ~ w. "L1] Bordwell, FG; l lan ~ lson, JA, Jr .; Satish, AVJ Org. Chem. 1989, 54, 3101.
[Bordwell5] Bordwell, FG; Zhang, XM; Filler, RJ Org. Chem. 1993, 58, 6067.
[Bordwell6] Bordwell, FG Acc. Chem. Res. 1988, 21, 456-463.
[Bordwell7] BGrdwell, FG; Fried, HEJ Org. Chem. 1991, 56, 4218-4223.
~ Baril1] Baril, D. Thèse de l'IniversRé de Genoble, INPG, 1993.
[Barrel2] Barrel, DJ Cle ~, l, ~ he ".. Soc.
[Baril3] Internal report Hydro-nuPhec [Begland] Begland, RW; Hartter, DR; Jones, FN; Sam, DJ; Sheppard, WA; Webster, OW;
Weigert, FJJ Org. Chem. 1974, 39, 2341-2350.
[Beh) ger] Gbh.) Ger, A; Gauthier, M .; Robitaille, M .; ~ 8 "~ l ~ al'e, R. Second Inte", dtional Symposium on r ~ ", ~, a ~ -bulytes (B. Scrosati Ed.) Elsevier Applied Science London & New-York 347-381 (1990).

[Belcher] Belcher, R .; Sykes, A., Tatlow, JCJ Chem. Soc. 1954, 4159-4161.
[Benrabah] Benrabah, D .; Barrel, D .; Sanchez, JY; Armand, M .; Gard, GG
J. Chem. Soc. Faraday Trans. 1993, 89, 355-359.
[Booth] Booth, C .; N- ~ 'olas, CV; Wilson, DJ r ~ "~ er ~ u ~ tc n" i ..
(JR MacCallum, CA Vincent Eds.), Elsevier London 229-254 (1989).
[Boyd1] Boyd, RHJ Phys. Chem. 1963, 67, 737.

; .
lBoyd2] Boyd, RHJ Phys. Chem. 1961, 66.1834.
[C ~ cdeleclc] 6redel ~ .k, H .; Scl "~ ker, G .; Oehler, E. Ann. Chem. 1956, 600, 81-108.
lBrownl] Brown, HC; Cheng, MT; Parcell, LJ; Pilipovich, DJ Org. Chem. 1961, 26, 4407-4409.
[Brown2] Brown, HC; Ming, TCJ Org. Chem. 1962, 27, 3240-3243.
[Catalàn] Catalàn, J .; Abboud, JLM; Elguero, J. Adv. Heterocycl. Chem. 1987, 41, 187-274.
[ChdbdyllO] Chabdy-, o, JM Thèse de run; ~ r ~ t de G ~ n L ', INPG, 1980.
[Chdml ~ c,:,] Chall ~ tcr ~, WJ; Coffman, DDJ Org. Chem. 1961, 26, 4410-4412.
[Charbouillot] Thesis of the university of ylen ~? ~ INPG, 1988.
[Cherkaoui] Cherkaoui, F. Thèse de l'Université de Grenoble, INPG, 1982.
[C ~ ':., Lan] Chemistry of Solid State ~ idlj 2, Proton Conductors, (P. C ~ 'c ~ ILrdl), Ed.), Ca..lLIkJge U-, i ~ r ~ ity Press, CarlL.idge, 1992.
[Cookson1] Cookson, RC; Hudec, J .; Whitear, B. Proc. Chem. Soc. 1961, 117-118.
[C ~ J ~ k ~ n2] Cx! - ~ n, RC; EricJli ~ h, KRJ Chem. Soc. (C) 1966, 1641-1644.
[Defendinil Defendini, F. Thèse de l'Université de Gr ~ r, Ab '~, INPG, 1987.
[De Zea Bermudez1 l De Zea Bermudez, V. Thesis of the University of Grenoble, 1992.
[De Zea Bermudez2] De Zea Bermudez, V .; Sanchez, JY SolidState lonics 1993, 61, 203-212.
[Dippell Dippel, Th .; Kreuer, KD; I ~ ssèglles, JC; Rodriguez, D. Solid State lonics 1993, 61, 41-46.
[Dominey] Dominey, LA 7th l ~ r "~ ional Meeting on Lithium Batteries, May 15-20,1994.
[Elguero] Elguero, J. & ALII J. Org. Chem. 1991, 56, 3942-3947.
[Fialkoff] Fialkoff, JA Bull. Soc. Chim. 1927, 41,1209-1217.
[Fi. "Legan] Finnegan, WG; Henry, RA; I ~ ct, RJ Am. Soc. 1956, 80, 3908.
[Fisher] Fisher, A .; Leary, GJ; Topson, RD; Vanghan, JJ Chem. Soc., B. 1966, 786.
[Foropou '~, s' Foropoulos, J., Jr .; DesMarteau, DD Inorg. Chem. 1984, 23, 3720.
[Friede.i.; L,] rriedericl1, WUS Patent 2,710,297 (1955).
[Gauthier1] Gauthier, M .; B ~ langc ,, A .; Kapfer, B .; Vassort, G .; Armand, M.
F ~ ly. "Er Cl ~ tlulytes ncvie ~ ~ -11 (JR MacCallum, CA Vincent Eds.), Elsevier London 285 (1989).
[Gauthier2 ~ Gauthier, M .; Fauteux, D .; Vassort, G .; Béhnge ~, A .; Duval, M .; Ricoux, P .; Chabagno, JM;
Muller, D .; Rigaud, P .; Armand, MB; Deroo, DJ Ele-; tl ~ he "-. Soc. 1985, 132, 1333.
[Gunwald] Gunwald, E .; Price, EJ Am. Soc. 1964, 86, 4517-4525.
[Gutmann1] Gutmann, V. TheDonnor-Accep ~ orApproachtoA1 ~ 'e ~ lnteractions Ed. Plenum Publ. Corp. New York (1978).
[Gutmann2] Gutmann, V. Ele ~, t ~ himica Acta 1976, 21, 661-670.

Gutmann3] Gutrnann, V .; Mayer, U. A1 ~ n ~ t ~ h. Chem. 1968, 99.1383.
Gi, Lhi. ~ Trochimowski] Giszkiewicz-Trochimowski, E. Rocz. Chem. 1921, 1, 468-478;
Chem. Abstr. 1923, 17, 1424-1425.
[Hadzi] Hadzi, DJ Mol. Struct. 1988, 177.1.
[Hd ~ lcl] Hartzler, HDJ Am. Chem. Soc. 1964, 86, 2174.
[lernJ ~ i ~, l ~ on] I lend ~ i ~, l ~ on, JB; Giga, A .; Warting, JJ Am. Chem. Soc. 1974, 96, 2275-2276.
[Hinkel] Hinkel, LE; n; ~; hdlJ ~ GO; Thomas, OJ Chem. Soc. 1937, 1432-1437.
[Jap1]

[JOSeYI JOSQY, AD; D: _ki-, son, CL; Dewhirst, KC; McKusik, BCJ Org. Chem. 1967, 32, 1941.
[Keml] Kem, JM Thèse Université Louis Pasteur, Strasbourg, 1976, Order No CNRS Archives AO 12.508.
[Kern2] Kem, JM Te ~ rahedron 1978, 34, 661.
[Klemann] Klemann, LP; N_.l ... year, GH; Whitney, TA; Stogyn, EL; Farcasiu, D.
Meeting of the Cl. ~ Trv- hemical Society October 5-10 (1980), Cf. Extended ~ hstPrtc n ~ 47.
IKoppel] Koppel, IA; Taft, RW; Anvia, F .; Zhu, S. -Z .; Hu, L. ~ .; Sung, K. -S .; Desmarteau, DD;
y, A, 91 ~ ''L'i;,LM; yA ~ (IrOIS ~ Y. L; Ignat'ev, NV; Kondatrenl. ~, NV; V ~ '! c nskii, AY; Vlasov, VM;
Notario, R .; Maria, P. -CJ Am. Chem. Soc. 1994, 116 3047-3057.
[Koshar] Koshar, RJ; Mitsch, RAJ Or9. Chem. 1973, 3fl 3358-3363.
[Kreuerl Kreuer, KDJ Mol. Struct. 1988, 177, 265.
[Lagan] Laganis, ED; Lemal, DMJ Am. Chem. Soc. 1980, 102, 6634-6636.
[I Acse ~ es1] 1 A ~; segues. JC in C ': I, l year lLe Goff] Le Goff, E .; Lacount, RBJ Org. Chem. 1964, 29, 423-427.
[Linert] Linert, W .; Jameson, RF; Taha, AJ Chem. Dalton Trans. 1993, 3181-3186.
[Lopyrev] Lopyrev, VA; nacl. ", ~ laulina, TN Zh. Obsh. Khim. 1983, 53,1684.
[Malarski] Mabrski, Z .; Sobczyk, LJ Mol. Struct. 1988, 177, 339.
[March] March, J. ~ Advanced Organic Chemistry ~, 3rd ed .; Wiley-lntel ~ ~ nce, 1985.
[Maskill] Maskill, H. ~ The Physical Basis of Organic Chemistry ~; Oxford science publications. (To complete) [Mayer] Mayer, U .; Gutmann, V .; Gerger, W. ~ 1ohdt ~ ll. Chem. 1975, 106.1235.
[Middleton] Middleton, WJ; Metzger, DJ Org. Chem. 1970, 35, 3985-3987.
[NOT .. . ~ year]
[Norris] Norris, WPJ Or9. Chem. 1962, 27, 3248-3251.
[Ohtsuka1] Ohtsuka, Y. Synthesis 1984, 1057-1058.
[Ohtsuka2] Ohtsuka, YJ Org. Chem. 1976, 41 629 ~ 33.
[Ohtsuka3] Ohtsuka, YJ Org. Chem. 1976, 41, 713-714.
[Oliveri M-, ''] Oliveri-Mandalà E .; rAY ~ I ~ c ~ uA. T. Gazz. Chim. Ital., 41, Il, 430-435.
[Paprott] Paprott, G .; Seppelt, KJ Am. Chem. Soc. 1984, 106, 4060-4061.
[Pearson1 ~ Pearson, RG Advances in linear free-energy relat; onships Ed. Cha ~, "~ nn & Shorter Plenum Press New-York (1972).
[r ~ - ~ on2] Pearson, RGJ Chem. Edu. 1968, 45, 581-587.
[Pea, ~ r3] Pearson, RG; Dilbn, RLJ Am. Chem. Soc. 1953, 75, 2439.
[Picotl Picot, A .; Genouillet, P. L'actualité Chimique, April 1986, 41.
[P &-.:,;. J. on] Pc. ~; ~ - on, C. Publi ILL

[Ravet] Ravet, N. These of the University of Grenoble, INPG, 1994.
[Ripoche] Ripoche, X. ECSEle ~ tru tuv ,, 1 ~ 1 ~ 'll [Robitaille] Robitaille, CD; Fauteux, DJ Ele ~ t ~ u he ",. Soc. 1986, 133, 315-325.
[Rou ~ seAu] Rousse ~ Au, F. Thèse de l'Université de Grenoble, INPG, 1990.
[Shuklal Shukla, JP; Tandon, SGJ Cl ~ buanaL Chem. 1972, 35, 423-427.
[S ~. ~ T ~ ,.] S! Vestcr, MJ Aldrichimica Acta 1991, N ~ 2, 31-38.

21 941 2 ~

lSmith] Smith, WT, Jr; Steinle, EC, Jr. J. Am. Soc. 1953, 75, 1292-1294.
[Solvay] Doc ~ ", ~ nt ~ technical lion Solvay: Specialty Fluorine product.
[Sb ~.] Sb_ih ~ ie3er, A., Jr .; Heathcock, CH Introduction to O ~ y ~ n ~ e Chemistry (Translated by B. Coste, B. Daniel, Y. Dugenet), Edition Marketing, Paris, 1986.
[Sylla] Sylla, S .; Sanchez, JY; Armand, MJ Electrochim. Acta 1992, 37, 1699-1701.
[Tst.dhed ~ un] T ~ hdheJI ~, n Lett. 1979, 3643.
[Tipping] Tipping, AE & al J. Org. Chem. 1994, 59.1Qq ~ -1046.
[Trinquet] Trinquet, O. Thesis from the University of Bordeaux, 1990.
IVallée1] Vallée, A .; Besner, S .; Prud'homme, J. Electrochim. Acta 1992, 37.1579-1583.
[Vallee2] Vallée, A. Thesis of the University of Mcnl, ~ al, 1994.
[Volkonsky] Volkonsky, A. Yu .; Rokhlin, EMJ Fluorine Chem. 1984, 26.183.
[W ~ b ~ 11] Ciganek, W .; Linn, WJ; Webster, OW PATAT
ler2]
[WeL ~ er3] Webster, OWJ Am. Chem. Soc. 1966, 88, 3046-3050.
[\ ~, lel4] Webster, OWJ Org, Chem. 1967, 32, 39-42.
[Webster5] Webster, OWJ Am. Chem. Soc. 1966, 8fl 4055.
[Webster6] Webster, OW Adv. Heterocycl. Chem. 1987, 41, 1-40.
[Weis] Weis, CDJ Org. Chem. 1962, 27, 3695.
[Wiley] Wiley, DW; Webster, OW; Blan ~: l, ard, EPJ Org. Chem. 1976, 41, 1889-1895.
[Wao ~ d] Woo ~: ~ d, DWUS Patent 2, 534, 331 (1950), Chem. Abstr. 1951, 45, 5191.
[3M] Docl.,., ~ Nt ~ lion techn, .e 3M: FluoradLithium Trffluvr., I "~ ll, anesulfonimide Battery Ele ~ tlolytc HQ- 115.

2t94127 Chapter II:
Mixed conduction polymers II-1 INTRODUCTION:

In general, a mixed conduction polymer can be defined as a material macromolecular allows ~ nt the transport of both electrons and ions, in a system any electrochemical. We take this definition broadly as well at the level mac ~ ascopic than microscopic. This definition can bring together various approaches in terms of m ~ t ~ ri ~ l ~ x, and lead to dirÇé-ltes function ~ lit ~ s in electrochemistry, and more particularly in the field of polymer electrolyte batteries. We briefly describe, below, the dirréi ~ e ~ tes a ~ es ~ -n ~ which we summss i ~ ssés.

A first possibility for obtaining a polymer with mixed con ~ luction is to m ~ l ~ nger an electrolyte polymer with a charge of microparticles of an electronic conductor, such as grains of carbon. In this context, we are interested in the possibilities of grafting on the surface of carbonaceous material segments of solvating polymers, or dissociated anions, in order to locate at microscopic level the two conduction modes.

On the other hand, the synthesis of polymers comprising both solvating segments and functions electroactive leads to solvating polymers with redox properties, which we we will name more simply by redox solvating polymers. The ionic conducdon being ensured by the solvating segments, and the electronic conductivity via the, or the internal redox couples. The confinement of electroactive functions in a portion of space, induced by nature macromolecular mi ~ erii ~ -lx allows, in particular, to use them to achieve sources of energy of high intensity as we will see later (II-3-5).

Finally, the molecules with redox properties dissolved in a polymer electrolyte, if they are capable to di ~ ser quickly in such an environment, allow to transport electrons within a system electrochemical when the potential applied to the system exceeds a threshold potential (Es). In this sense, these materials behave like a polymer electrolyte when E <Es ~ and com does a polymer with mixed conduction when E> Es ~ and can potentially be used as a protector overcharging in batteries with polymer electrolytes.

114 f3-II-2 CARBON GRAFTED:

II-2-1 Introduction:

It is common practice in the field of batteries (alkaline, saline,.) And batteries, to introduce into the ca.bolle method, in order to favor electronic exchangP, between the electroactive material and the coll ~ Pcte ~ lr of current. As a general rule, a carbon black prepared by thermal decomposition of acetylene (in particular "Shawinigan black"). Cathode composite of lithium batteries with polymer electrolytes is thus made up of the mixture of a maté-ri ~ ll insertion (TiS2, V2Os, MnO2, ...), carbon black, and a polymer electrolyte, as illustrated in Figure 2.1, the latter permp ~ tuant both ion transport and serving é ~ alPmPnt of binder to the electrode.

~ O Insertion material e ~ ~ ~ Li ~ Graindecarbone _r ~ ~ _ ~! 511 ~; 5 ~. E ~ electrolyte polymer Figure 2.1: Desc, i ~, schematic lion of the composite cathode of a polymer electrolyte battery.
It is also possible to consider that the cathode is con ~ titlled by mixing a polymer with mixed condllction (polymer / carbon electrolyte) with the insertion material. The insertion reaction involves bringing a cation into the structure which is placed in the vacant sites of the material (between the sheets ~ in the particular case of those with a two-dimensional structure like the titanium disulfide), the charge of the cation being compensated for by the concomitant introduction of an electron which is delocalized on the available electronic sites (in general the "d" orbitals of the metal of transition of the host structure). The role of the mixed conduction polymer is therefore to allow the simultaneous transport of ions and electrons on the surface of the insertion material. Therefore, the ion transport taking place in homogeneous phase at the molecular level in the electrolyte, it seems reasonable to try to transport the electrons also in the most homogeneous way possible between the current collector and the surface of the insertion m ~ t ~ ri ~ n.

In this sense, the Shawinigan black presents the disadvantage of being organized in the form of chains (strings) which thus constitute a tri ~ limPnsionnel network of carbon grains allowing the transport of elects. This structuring of the carbon grains makes it possible to obtain composites presP-n ~ n ~ good overall electrical conductivity. However, this results in inhomogeneity in 21 94t27 , micloscopic level which t ~ imin ~ e all the more uniformity of the distribution of electrons on the surface of the m ~ teri ~ U of insertion. In addition, the structuring of carbon grains in a tri ~ im ~ nsional network induces, as a rule, a rheology difficult to control going as far as behaviors "~ lil ~ t ~ ntc" as well as the porosity in the c ~ composite method, ~ nt its energy density volume. In this case, the tortuosity of the ion path is also p ~ n ~ lic ~ nte in terms of kinetic.

Also, it seemed to us interesting to graft on the surface of carbon grains segments of a solvating polymer, grafting a polymer to the surface of a particle pçrmett ~ nt to modify its interaction with a polymer matrix. So, for silica particles grafted with chains hydrocarbons [Donnet21, the surface energy (Ys) of the grafted particle, characterizing its potential of physical interaction with the environment, gradually tends towards that of pure polyethylene at as the grafting rate increases. The grafting of 300 mg of polyethylene segments by gram of silica is sllffic ~ nt to obtain this result, illustrating by the same the effect produced by a weak mo ~ ific ~ tion of the surface of the particle. This approach should make it possible to make the surface of the carbon compatible with the polymer electrolyte, facilitating its dispersion in the matrix, in order to to obtain a microdispersion of carbon in the composite cathode. Such microdispersion should lead to a homogeneous distribution of carbon grains, which one can hope for an effect beneficial on the performance of the cathodes during an important pllisC ~ nce call; a lesser porosity of the composite can also be expected. Seen from this angle, the problem is close to that of m ~ t ~ ri ~ nx structural composites. Indeed, it is recognized ~ PaPirer1l that obtaining of a high performance material through the development of a homogeneous composite, promoting optimal dispersion of the mechanical stresses exerted between the polymer matrix and the filler serving as reinforcement When a call of ~ ~ important nce, it must also ~ ~ consider that it is created in the electrolyte polymer component of the method, gradients of salt concentrations due to mobility predc-min ~ nt ~
anions, resulting in the same a decrease in the performance of the cathode. If it turns out possible to graft a salt on the carbon surface, this would benefit from the advantages expected from the use of fixed anions to limit the penile ~ read ~ nt effect of these gradients concentrations.

II-2-2 Grerr ~, e of polymers:

II-2-2-1 modifications of the carbon surface:

As a general rule, the surface chemical composition of a solid differs from its composition mass, this res..lt ~ nt of an environment ~ ment different from the atoms of the surface which represents a diccontinuity of matter. In the particular case of carbon, its surface condition is a parameter important for many applications, in fact, it defines the int ~ this between the m ~ t ~ ri ~ l carbonaceous and the medium el-vi ~ n ~ By e ~ mrle ~ in carbon / polymer composites, the nature of the surface of the carbon considerably modifies the adhesion of the fiber with the polymer, and by the same token pro ~ les ~ ues of the composite IHushes]. Many works therefore relate to the poscihilit ~ s to modify this IE ~ 'l surface, for example, controlling its acid-basicity makes it possible to carbon whose surface is made acidic, compatible with a basic sorting [SChlUtZl. The poscibilit ~ s of such mor1ifir ~ til n ~ surface cl ~ hangs ~ nt largely from the sl.u.; lu ~ e du m ~ teri ~
carbonaceous envisaged.

Indeed, carbonaceous materials are obtained ~ nnent gener ~ le-m ~ nt by pyrolysis of organic precursors such as hydroc ~ l ~ ures, or aromatic compounds for example. In a simplified way, the elul ~; of the carbonaceous materials obtained depends in part on the temperature at which the pyrolysis, low temperatures (aS500-1000 ~ C) lead to very desiccated materials, while the high temperatures (> 2500 ~ C) allow synth ~ ti ~ pr very crict materials ~ llinc to ~ lluelule graphitique. Now, in graphite, the sp2 hybridized carbon atoms are chemically inert, and only incompletely bound atoms placed at the edge of the graphite planes, or located on structural defects, are likely to react chemiquçm ~ nt On the other hand, the m ~ téri ~ lls carbonés désorg ~ nic ~ s, because of their many surface defects, have a multitude of points attacks to chemical agents making it possible to modify their s ~ lrface ~ c, and this by various methods.

It is thus possible to introduce simple chemical functions to the carbon surface, these allowing subsequently to initiate the reactions of organic chemistry which are their own.
Carbon oxidation is the most used process to do this, it can be done by example, in the gas phase (air, oxygen, ozone, water vapor, ...), in the liquid phase (nitric acid, hypochlorite, sulfuric acid, ...), or electrolytically. Among all these processes, oxidation in phase g ~ 7Pu ~ e is most used for carbons obtained in powder form, oxidation electrochemically being of great interest for carbon fibers (in the form of fabrics, felts, or threads), due to the possibility of using continuous processes.

We give in table 2.1, by way of example, the physicochemical characteristics of two of these carbonslT5Ub0kawa ~ l ~ the FW200 (Degussa) and the NeospectraII (Columbian Carbon) ; tunes of this class of m ~ t ~
Table 2.1 Car ~ rK ~ physico-chemical ues of two ca.L, oxidized ones, according to [Tsl ~ 1.;. 'L 1].
Surface BET Surface groupings (meq / gr) Carbon Type (m2 / gr) pH COOH OH C = O
FW 200 Channela 4S0 2 0.61 0.1 1.42 Neospectra ll Fumaceb 906 3 0.4 0.24 0.92 a: obtained by ~,). uly;, e in a flame b: obtained by pyrolysis in an oven Oxidized carbons of this type are available from various manufacturers; an important outlet by being the -tili.c ~ Not as a pigment for printing ~ nt ~ q ~ s high speed inkjet [Degussa].

This oxidation results firstly in ~ ugmPnt ~ tion of the specific surface of carbon, concomitant with the introduction of oxygen functions on the surface, part of the carbon planes p ~ t a sllu ~ iluu ~ d ~ solgal ~ isée being oxidized to carbon dioxide (this is called carbon activated [Donnet3]) In these con ~ litiorlc ~ the p.ill ~ ipales fonctionc introduced on the carbon surface are carboxyls, hydroxyls, carbonyls. As shown in Table 2.2, the functions carbonyls can app ~ lenil to different grollpçmPnt.c present on carbon like quinones or l ~ onF ~ by P ~ emplr Table 22 F ~ i, .. ;; ~ aux gro ~ ", t:" t ~ chemical pr ~ s ~ rit ~ on the surface of carbonaceous materials.
R, OH
ACID ~ ~ ~ H ~ S03H
Acid ~ Acid Acid Ca.Lu> ~ jl;,) e Pl, os ~ .hor ,, ~ eS ~ n ',: e ~, OH ~, NH2 ~ 1 [~

Arnine Pyridine Alcohol Pyrrolic Nitrogen X
HALIDE ~ X = Cl, Br It '-3'ne CAR90NYLES ~}

LactonePyrone Quinone Anhydride This same table describes the main groupings that it is possible to create on the surface of carbonaceous materials. We will not specify the various conditions allowing to reach these, the more particularly interested reader being able to use the data of the lil ~ lulc to do this ; c "~ sl. As we can see, the possibilities of fon ~ til ~ rln ~ liQ ~ ti ~) n of the surface calbone are QllffiQ ~ mmPnt varied to consider initiating many chemical re ~ rtionc to From its s ~ l ~ ce Finally, note that the conception of these dirrefell ~ s gfou ~ e ~ PntQ on the surface carbon vade typi4ut; lllenl between Ql and S meq by ~ r ~ same carbon.

2t 9 ~ 1 ~ 7 . .
II-2-2-2 Grafting of polymers:

The grafting of macromolecular chains on the carbon surface can be carried out by coupling a prepolymer carrying a lclive function with respect to its surface, or by a polym ~ ris ~ tion initiated with from this surface whether anionically, c ~ tioniq ~ let or r ~ ir ~ l ~ ire.

a) CQ- ~ PI ~ ge of a prepo; yJ ~ I ~ re In ~ l ~ do we first of all study on the coupling of a prepolymer with the surface carbon, in most of these works this coupling is carried out via the hydroxyl functions and carboxyls p ~ present on oxidized carbons like FW 200 or Neospectra II. Also, by For the sake of simplification, we have limited ourselves exclusively to these two possibilities. This grafting can errecluer dilec ~ nt from pl ~ sen ~ es functions on carbon, for example, is ~ rifi ~ nt the carboxylic gro ~ ents with alkanols [Pa ~ l, or by reaction of poly (propylene glycol) terminated by an isocyanate (PPG-NCO) with the hydroxyl and carboxyl functions [TsuL ~ .2].
However, in most cases, the groups present on the surface of the carbon undergo a tr ~ chemical itemçnt modifying their functionalities and reactivities, Figures 2.2 and 2.3 summary ~ nt different possibilities to do this. Thus, it is possible to modify the hydroxyl functions and carboxyls to isocyanates by treating them with toluene diisocyanate [Ts ~ '~], or to epoxides by reaction with epichlorohydrin [T ~ '31. Concern ~ nt specifically carboxylic acids, it is possible to modify them into acid chloride by action of thionyl chloride [Ts ~ 1. Chloride acid can itself be transformed into acid azide by treatment with sodium azide, this function reor ~ ni ~ nt under the action of heat in isocyanate [T ~ '51.
NCO

~ 0 SOCIz (~
,, (~ COOH- -(1) SOCI7 (~ CON3 ~ (~ NCO

~ a ~ 7a ~ o- ~ al ~ ~ d Figure 2.2: Chemistry of gro ~ e,., In ~ carboxyls pr ~ se.lt ~ on the carbon surface.

21 94 ~ 7 ~ o OCN ~ CH ~

(~ OH c ~ 2a ~ ~ (~ O-CH2 ~
Flgure 2.3: Chemistry of gro ~ e,., Ent ~ hydroxyl pl ~ s ~ ht ~ at 18 carbon surface.
All these functions are capable of reacting with nucleophiles, and in particular with ter nin ~ s polymers by g ~ oup ~ nts amino or hydlo ~ ylés, as illustrated in Figure 2.4, pçnn ~ tt ~ nt thus to obtain carbons grafted with different polymers such as polyethylene glycol (PEG), polypropylene glycol (PPG), polyb ~ lt ~ di ~ -ne glycol (PBG), polyvinyl alcohol (PVA), polyethylene imine (PEI), silicone diol (SDO), .cilirone. ~ min ~. (SDA).

2 ~ ~ 2 - P ~) n V ~ v ~

Figure 2.4: Grafting of nucle ~ p ~ s polymers (Fl = -N, NH, or OH) with the sufface of reactive carbons. .

The ~, essential parameter characterizing these carbons is the polymer grafting rate defined as the ratio of the mass of grafted polymer relative to the mass of carbon, so we have grouped in Table 2.3, the grafting rates obtained for various experimental conditions Table 2.3 Rate of grafting of polymers obtained on the surface of functional carbons Reactive function Polymer Mass of the Rate of on the carJone grafted polymer grafting Reference COO ~ C ~ 8-OH 269 7.4% [PapireR]
COOH / OH PPG-NCO 2000 82.2% ~ rsubokawa2]
PPG 2000 11.2%
PEG 8200 1 8.5%
PBG 1000 27.2%
COCI PVA 66000 41.6% [Tsubokawa4]
S DO 5600 20.4%
SDA 3000 40.7%
PEI 20,000 45.8%
PPG 2000 21.9%
CON3 PEG 6000 29.7% ~ subokawa5]
PVA 66,000 43.4%

1..
PPG 2000 19.5%
SDO 1000 23.6%
SDO 1800 26.3%
Epoxide S DO 3200 30.0% [Tsubokawa3]
SDO 5600 32.2%
PEI 1800 55.6%
SDA 1700 59.5%
SDA 3900 67.2%
Let’s take a closer look at the results obtained by grafting polymers onto a carbon (Neos ~ ecll ~ II) carrying 0.4 meq / gr of group-nt ~ epoxides ITq: L - 31. As shown these, the silicone diol grafting rate increases with the mass of the polymer, inversely the number moles of ch ~ isles grafted per gram of carbon, symbolized by G, decreases with this same mass. It’s likely that as polymer segments graft onto carbon, on the one hand the reactive functions on the surface are masked, and on the other hand the polymer must make their way between the chains already grafted to react with a groupen.cnt of sllrf ~ re, or, this displacement ~ crawling is slower as the length of the chains increases. Number of chains g. ~, Lr ~ s is thus connected to the molar mass ~ c ~ ire (M) of the silicone diol by:
G = K Ma, with K = 0.0468 and a = -0.77 It is in ~ lcssant to note the simili ~ ude of this ~ equation with the law of Mark-Houwink-Sakurada which describes the intrinsic viscosity ~ ue of a given polymer as a function of its mass by:
~ 1 ~] = K Ma On the other hand, it appears that for an equivalent length of chain, the grafting rate with the amino polymers is greater than that obtained with hydroxylated polymers, and thus goes from z 25 to 60% for chains with a mass ~ 2000. This result is in agreement with the least power nucleophile of alcohols relative to amines.
Thanks to polymer grafting, colloidal carbon suspensions can be obtained in the organic solvents relatively stable over time. Thus, for the Neospectra II grafted with silicone ~ i ~ mine and dispersed in THF, 55% of the carbon grafted with 59% of dry polymer ~ iment ~
after 100 hours, and 20% of the carbon is grafted with 67% polymer grafted after the same period of time, while the c ~ l, one non goeffé sedim ~ ntf fully in a few hours.

We will m ~ inten ~ nt we i ~ -le-Gssei to the possibilities of modifying the carbon surface thanks to a polyTn ~ ric ~ tion by anionic, ca ~ ionic, or r ~ r ~ l ~ iTe initiated from this surface.

b) Grafting by anionic polymerisaffon:

Consider the case of grafting via anionic polymerization initiated from groups present on the surface of an oxidized carbon, of the same type as those exposed previous ~ emmen ~ First, Figure 2.5 illustrates the specific modifications to Up ~ tc carboxyles. Even if it is possible to initiate anionic polymers ~ ~ ~ d ~ e ~ n by the carboxylic acid, this function is activated by transforming it into its alkali metal salt ~
tr ~ itemP, nt by a strong base in water [T ~ ~ I On the other hand, it is possible to obtain the ~, of ammonium from the carboxylic acid by treatment of the acid with a hydrox ~, ammonium IT- - ~~]. Transformation of the carboxylic acid into a basic amine effectllée in various ways, starting from the acid chloride by reaction of a compound ~ i ~ mine, ~ j from the isocyanate of the carboxylic acid, either by its hydrolysis, or by reaction with ".
cc ... ~ difonrtionnp ~ l carrying a primary amine, or secon ~ 1 ~ ire ~ and a primary amine, second ~
or tertiary IT ~ bok ~

MOH ~ (~) - COO M + M = U, Na, K, Cs, Rb (~ COOH R4NOH ~ @ ~ coo N ~ R4 OH
SOC12 ~ (~ H2N (cH2) 2NH2 (~ C - N - (CH2) 2 - NH2 (~ NCO H20 ~ (~ NH

R ~ CH3 or HC IN - HERE -, N - (CH2) 2NR ~
Figure 2.5: Chemistry of carboxylic groups to initiate radical polymerizations. -On the other hand, the tr ~ it ~ P.mP, nt of carbon oxidized by butyllithium makes it possible to transform the whole ~ oxygenated functions (carboxyls, hydroxyls, quinones) into liLhium alcoholate [Tsuboka wa12l, horn :: -illustrated in figure 2.6, we can thus access carbons carrying many reaction functions .-:
(~ 2 meq / gr) on their surfaces.

(~ COOH (~ U

(~ OH + BuLi ~ (~ OLi He Bu ~, OR
~ D (~ D
O Bu OR
Figure 2.6: Effect of 13utyllithium on gro ~ en, oxygenated enls.
The butyllithinm allows eg ~ lpmpnt to make ~ ive the surface of non-oxidized carbon contenam .-little g ~ up ~ .-. . .P.nt.C oxygenated on the surface ( <0.01 meq / gr), and particularly that of graphite.
m ~ Ct ~ lli.c ~ tion of grol ~ np ~ tc aromatic emerging on the surface of the carbon, like the illus ~ ~
figure 2.7 [Tsubokawa13 14l - 2 1,941 27 ,. .

(~ BuLi ~ (~ Lj Figure 2.7: Metallization of aromatic cycles by butyllithium.

All these grou ~. .. ~ l ~ ts permpnt to modify the carbon surface, by initiating anionically, either the polymerization by OU ~ lUI ~; cycle of cyclic monom ~ res, or polym ~ .ri.c ~ tion of my vinyl records.

Conce-rn ~ nt the polym ~ -ri. ~ Tion by or ~, ~ "Mon cycle, the grafting of polyesters is obtained by the polymerization of ~ -propiolactone initiated by alkali salts [T ~ 71 and ammonium ITg_L ~ 101 quaternaries of carboxylic acids, or by copolymerization, initiated by salts alkali of carboxylic acids, between an anhydride and, respectively, an epoxide lT ~ 1, OR a alkylene carbonate IT ~ ubokawa8l. On the other hand, the polymerization of y-methyl L-glutamate N-carboxyanhydride initiated by a carbon carrying functions ~ min ~ es allows to graft a polypeptide on its surface ITsubokawa1 ~ I. It is thus possible to obtain grafting rates of between 30 and 150% on the surface of carbon.

If we are interested m ~ inte. ~ Nt vinyl monomers, lithium alcoholates are capable directly initiate the polymerization of acrylamide [Tsubokawa121, acrylonitrile [T5 '''_121, and meth ~ crylates [T5 ~ '' 12 ~ 14l. By cons, the polymerization of ~ -methylstyrene ITsubokawa12l ~ or ITsubokawa12 ~ 14l styrene can only be carried out by activating the lithium alcoholate with a crown ether.
On the other hand, the lithiated phenyl groups can initiate the polymerization of methacrylate.
methyl and styrene [T- '''_13-14l, directly in solvents forming çh ~ your with the lithillm, such as tetramethylethylenedi ~ mine ('I ~ EDA) or ~ eY ~ methylphosphorus tri ~ mi ~ e (HMPT), or in conjunction with a crown ether in toluene. Grafting rates at the surface of carbon between 50 and 250% are obtained under these conditions.

c) Grafting by caffonic polymerization:

The carboxylic acids p- ~ feel at the carbon surface are capable of initiating the polyrn ~ ris ~ t1on by cationic pathway of direct monomers, and among these of N-vinylcarbazole lBiswas1-2, Tsubokawa16-171, N-vinylpyrrolidone IT 16-181, 2-methyl-2-oxazoline [~ 181, from spiro ortho esters, bicyclo ortho esters, and spiro orthocarbonate [T ~ 191. In all these cases, the polym ~ ric ~ tion is initiated by the attack of the acidic proton of the carboxylic acid on the monomer, the carboxylate anion subsequently serving as a counterion during the propagation reaction, the grafting effect ~ l ~ nt in the end by neutr ~ lis ~ tion of the cationic charge by the carboxylate anion, this equivalent to a reaction from It; ....; l- ~ isol-.
It is also possible to transform the carboxylic acids into an electrophile, by treating their acid chloride with a metal halide such as ferric chloride (FeCl3) [TsuLu ~ ~~ 1, O
U the silver perchlorate (AgCl04) [TslJL ~ .. -11, the synthesis of acylium perchlorate being more particularly described in Figure 2.8.
SOCI2 @ ~ AgCI04 (~ CO ~ CIO4 Figure 2.8: Carbon chemistry per ". ~ Lt ~ nl to initiate polymerations ~ cationically.
It is thus possible to initiate the cationic polymerization of the carbon from the surface of the carbon.
styrene [Tsubokawa21, Ohkita1], lactones [Tsubokawa21-221, THF [T8ubokawa20-221, formals cyclical ITe ~]. It is also possible to graft copolymers by copolymerization.
by opening the THF cycle and a cyclic anhydride [Tsubokawa23 ~, an oxepane, and respectively, a cyclic anhydride or epichlorohydrinel TSubokawa22l. The grafting of terpolymer is obtained by the ring-opening polymerization of THF, of a cyclic anhydride, and epichlorohydrin ITs ~ 1. Graft rates typically between 40 and 100% are thus obtained by polym ~ ris ~ tion by anionic.
d) Grafting by radical pol ~ ation:

Even if the carbon surface has radicals, their stabilization by aromatic polycycles limits their reactivity, eliminates ~ nt by the same, the possibility of initiating polymerizations by radical. To do this, it is necessary ~ ire to introduce initiateu ~ s on the carbon surface radicals such as azo groups ITsubokawa24-25l ~ or peroxyesters [Tsubokawa261, such as the illustra ~ m ~ have figure 2.9.

(~ CCOH

(~ OH @ ~ ~ wNt ~ R ' f ~ H -. ~ (~ C - O - O - tBu R = COCI, NCO. '8 or epoxy.
~ 0 Figure 2.9: Introduction of poly initiator, eri ~ ti ~ n radical with carbon sufface.
Thus the pelo ~ els allow to initiate the polyméri.c ~ tion from the carbon surface of different vinyl monomers such as methyl methacrylate, methyl acrylate, acrylonitrile ~ [Tb ~ 6l. Gloupem ~ nts azo allow ~ nt for their part to initiate polym ~ .ri. ~ Tion many vinyl monomers such as N-vinylpyrrolidone, 4-vinylpyridine, 2-hydroxyethyl methacrylate, glycidyl meth ~ crylate, methyl vinyl ketone ITSJL '~ 41, - ~ 1,941 27 . .
styrene, vinyl acetate, m ~ methyl tharrylate, acrylic acid, acrylonitrile lT ~ ~ 4-251, The grafting rate obtained in these different cQn ~ itionc varies between 20 and 90%.

e) Jeffamine grafting:

As we have just seen, the pos ~ ibilities of grafting polymers on the carbon surface are many and varied, both from the point of view of m ~ tkri ~ ll carbon (oxidized carbon, gr ~ phit ~,) that the nature of the polymers. Ceppn ~ l ~ nt ~ grafting via a reacdon of polym ~ ris ~ tion inided from the carbon surface n ~ ss; lellt to develop the operating cont ~ itionC to optimize the rate grafting. Indeed, as in any reaction of polymerization, the nature of the initiator, the polarity of the solvent, the ~ e of the monomer modifies drasd ~ lut; lllelll the course of the polym ~ nc ~ tion, of more, there is a compeddon between the polymerization initiated from the surface of the carbon, and the polymerization taking place in solution.

For our part, the goal is above all to obtain a carbon grafted by a solvating polymer, in order to validate the concept of the modification of the surface of the carbon grains in the composite cathode polymer electrolyte batteries. With this in mind, we have chosen the synthetic route which seemed to us the easiest to implement, and more precisely to graft via a reaction of amidation, segments of poly (ethylene oxide) monoamines from acids carboxylic present on the surface of an oxidized carbon, as illustrated in figure 2.10.

+ H2 ~ CH2 - CH2 - o3 ~ CH3 - H20 ~ (~ C ~ cH2 - CH2 - OtnCH3 Figurc 2.10: Grafting of polymer on a carbon by a ",. ~; On acids pr ~ senl ~ has its sufface.
To do this, we used mono ~ mined POE segments produced by the company Texaco under the name of kffamine ~, and as oxidized carbon the FW 200 manufactured by the company Degussa. This choice is motivated by the fact that FW 200 is oxidized carbon, commercially available, has the most surface acid functions (~ 0.61 meq / gr), on the other hand, we find in the Texaco catalog of monoaminated POE segments with a respective molecular weight of 1000 (Jeff ~ mine M-1000) and 2000 (Jçffamine M-2000). Assuming we can graft the whole acids by POE segm ~ nts, it is possible to achieve grafting rates respectively in the range of 60 and 120%.

The formation of an amide bond between carbon and Jeff ~ min ~ involving the removal of a molecule water, its ~ limin ~ tion as the av ~ ncçm.ont of the reaction promotes it. Also, the first mode of synthesis that we envisaged to carry out this reaction was to chanff ~ r under vacuum at a temperature z 160-180 ~ C, a mixture of Jeffamine M-2000 and carbon. To to obtain a relatively homogeneous paste before tr ~ itPmçnt ~ the carbon is mixed in the acetate ethyl with double the stoichiometric quantity of Jffff mine relative to the quantity presumed carboxylic acid present on the surface of the carbon. After vacuum chqllffage during z 24 hours at a temperature of 180 ~ C, the product obtained is cleaned in ether, then centrifuged, and this in order to remove the excess of Jra, this washing is repeated several times. The same operation is then repeated twice in ~ ltilisqnt a m ~ lqnge 4/1 by volume of ether and ethyl acetate, so to guarantee a complete elimination of the Jeff ~ mine not grafted. The carbon is then dried for - 24 hours at 60 ~ C under vacuum.

The grafting of J ~ ffqmine M-1000 or M-2000 on the surface of the carbon can even, qlemçnt s'çffçctller par la ~ iistill ~ q ~ tion a2éo ~ l0pique of a mixture of carbon and Jeffamine (50% in excess) in toluene.
After ~ 24 hours of reaction, the toluene is evaporated, then the carbon washed with ether, recovered by filtration, this operation being repeated several times. Washing then continues in a m ~ equivolumic lqnge of ether and ethyl acetate, and this plnc; eurs times. The carbon is then dried for ~ 24 hours at 60 ~ C under vacuum. it is interesting to note the difference in visual appearance between the call ~ not grafted with the J ~ ffamine M-1000 and M-2000. The first ~, has a dull complexion, then that the second is shiny, which indicates that the latter carbon is fully coated by the polymer, this di ~ tinctiQn being a common fact in the field of paints.

The microanalysis of the different carbons considered is given in Table 2.4, the results Theories are calculated assuming that the carbon contains 0.61 meq / gr of groupings carboxylic, and from the exact masses of Jeffamines determined by acid-base titration, lespe ~ / el, ellt from 1116 and 2219 gr.
Table 2.4 Results of the analysis of the grafted carbons.
Carbon% C% H% O% N
FW 200 95.98 0.4 2.01 FW200 / J-2000 (Azeotropy) 71.83 4.47 21.83 1.54 FW200 / J-2000 (theoretical) 73.4 5.5 19.5 0.4 FW200 / J-2000 (160 ~ C under vacuum) 73.1 4.9 22.3 1.48 FW200 / J-1000 (Az ~ otl ~ r ~) 74.19 4.37 20.05 1.38 FW200 / J-I000 (theoretical) 79.2 3.9 15.3 0.5 The result for the carbon grafted with Jeffamine M-2000, obtained by azeotropy or by dehydration under vacuum, is in agreement with the theoretical calculation. On the other hand, for carbon grafted with Jprra ~ e M-1000 the difference between theoretical calculation and microanalysis shows that there remains at the carbon surface a significant amount of Jeff ~ qmine not grafted. Even if Jeffamine M-1000 is soluble in m ~ lqnge 4/1 ether / ethyl acetate, this solvent is probably not sllffi ~ nt solvatant to eliminate ~ r Jeffamine adsorbed on the carbon surface, it is therefore appropriate ququmçnter the amount of ethyl acetate to wash the carbon grafted with Jçffamine M-1000. The call, one grafted with Jçffqmine M-2000 does not l ~ worm ~ not a dialysis member, this process should allow to clean pqrfaitçmçnt the grafted carbons, given the solubility of the Jeffamine M-1000 or M-2000 in water.

2194i27 , Figure 2.11 shows the results of the differential scanning calorimetry analysis (Cf Annex), of the grafted carbon, as well as that of the free JPrr; ~ e with reference. As we can the const ~, r, the melting temperature of the Jeff ~ grafted mine is close to that of the free JeffAmine, even if the result for the calbooe grafted with the J ~ rr ~ ED-1000 must be tempered with regard of microanalysis performed on this sample. It may seem surprising to observe such difr ~ .e. ~ e de ~ e of fusion between J ~ rr ~ "; .. ~ M-1000 and M-2000, this fact is explained ~ ic ~ mtont since JPrr ~ o M-2000 contains ~ 30% by weight of PPO units which amorphizes the polymer, the J ~ -rr ~ -; - e M-1000 does not contain ~ 17% rrexacol.

Figure of DSC of grafted carbon ~ Jeffamine Obtaining two carbon pellets grafted with the JçffAmine M-2000 by compaction under a pressure of 10 tonnes allows the density of the mAt ~ riau to be estimated at 1.24 and 1.26, a value average of 1.25. This density is consistent with that of 1.36 c ~ lc ~ e assuming that we graft 0.61 mmol of JçffAmine M-2000 (density ~ 1.1) on the surface of the FW 200 (density - 2), i.e. with a grafting rate of 135%. According to these hypotheses, we can deduce that the carbon pellet compaçt ~, pl ~ nte porosi ~ r ~, sidual ~ 9%, which is after all a fairly low value. It is possible to de ~ ..in ~ r the electronic resistivity of the grafted carbon compacted by measuring the reCictAnce of this patch using an analog ohmmeter, this leads to a conductivity 2.10-2 Ohm ~ l.cm ~ l, i.e. a conductivity of 50 Ohm.cm, which is comparable to the conductivity observed for many carbon fibers for example ~ E ~ nl ~ l, This composite material coll ~, sl, olld in fact at a volume fraction of 29% of FW 200 in the grafted polymer matrix.

Carbon grafted with Jeffamine M-2000 disperses in water and most solvents polar organic, to give a stable homogeneous suspension of carbon. These dispersions provide evidence of grafting JeffAmine through an amide bond. Indeed, it is equal ~ mPnt possible to obtain a stable dispersion of ungrafted FW 200 by adding Jeff ~ mine which forms an ionic bond with the acids of the surface. Cep ~ n ~ nt, unlike carbon grafted via a amide bond, when the carboxylates are protonated by adding an acid to the solution ~ carbon se ~ feeds largely immediate ~ t ~ mpnt Despite the plesel ~ this polymer on the carbon surface, a weak Agit ~ tion m ~ c ~ nique is the ~ ce-ssAire to dicperser the material, and this in order to unravel the polymer chains which l ~ n ~. ~ t the grains to each other. In addition, a POE 300,000 film col.l, ~ AI ~ 40% by volume of this carbon, obtained by spreading a solution of POE and carbon in the ~ étonit ~ ile, plésellte a particularly homogeneous visual aspect. A good indicator of quality of the ~ isper ~ sion of c ~ l, one in the polymer is the conSel ~ alion of this homogeneity when one t; rr ~; l ~ I a traction of the film, this fact translates the co ~ p ~ I; bilit ~ of the grains with the polymer matrix.

-If we assume that it is thus possible to disperse ~ icérnpnt the carbon grains, it is possible to admit that it is possible to obtain a composite in which the particles are ul ~ ifo ~ P.nt distributed. We can estimate the ~ lict ~ nce separating these grains, assuming the particles spherical, as a function of the volume fraction of carbon, assuming a l ~ p ~ lition in the space given ~ R. In this case, this ~ i ~ t ~ nce (dCC) is calculated for a given grain size (dc), or in the hypothesis of a placing of the grains according to a centered cubic structure, according to equation 1, or face centered cubic, according to equation 2, and this as a function of the volume ratio of calbone to polymer (~). We go back to the volume fraction (~) of carbon in the composite from equation 3.

Central cubic structure: (~) Equation 1 Center-centered cubic structure: (~ 2 Carbon volume fraction: ~ Equation 3 The dic ~ nce separating two grains is calculated on figure 2.12, for a centered cubic structure and cubic face centered, and this for a diameter of 13 nm equal to that of the particles of FW 200 [Degussa], as a function of the volume fraction of carbon in a polymer matrix such as poly (oxide ethylene). Whatever the lép ~ liLion supposed particles, we end up with a ~ list ~ n ~ c between grains of the order of 50 A for a volume fraction around 15%, representative of the yua ~ é of incoming carbon generated ~ l ~ m ~ nt in the composition of the cathode of electrolyte batteries polymers.

80 ~ Centered cubic structure 8 _ \ ~ _ d ~ 60 ~
- \ \ FW 200 / J-2000 _ \ \ compacted 20- Structure ~ \ ~ ' ~ i - face centered cubic ~ ~ -OII ~ 'I ~

Carbon volume fraction (%) Figure 2.12: Distance between carbon grains as a function of crystal structure This ~ ist ~ nce of 50 A is the one from which we can assume that the electrons are moving by tunnel effect between the carbon grains, without it being necessary for the particles to be physically connected to each other. As we can see, the fraction volume co ~ olldant with CalbGI ~ graft compacted, glues ~ olld to ~ lictanr ~ es less than 20 A, this explaining the low resistivity of this m ~ t ~ ri ~ l Under the same conditions, the distance which s ~ pa, ~. ~ .l grains of black Shawinigan, with a diameter of 42.5 nm [Banl1], would be of the order of 200 A. The conducl; vi ~ high of the black of Sha ~ -vinigan can therefore only be explained by the ~ n of carbon grains according to a tri ~ imen ~ ional network according to which the electrons move in the electrode.

This mechanism of displacement of electrons by tunnel effect is recognized to explain the conductivities obtained with carbons with high electrical conductivities such as Ketjenblack (Akzo) [AkZo ~ verhel ~ Nelsonl. This carbon presents a special case due to its slluclu ~ ressr.mbl ~ nt to that of an empty shell, as depicted in Figure 2.13, which increases the probability that two aggregates él ~ menl ~ i.e. either s ~ ffl.c ~ mment close to each other so that the electrons can move by tunnel effect. So, just load a polyethylene film with ~ 2.5% by volume of Ketjenblack to obtain a resistivity # 50 Ohm-l.cm-l [Akzol, identical to that of the FW 200 grafted with Jeffamine M-2000 in the compact state ~.
It ~, '_ .; 7 Figure 2.13: Structure of an aggregate of l ~ tjen ~ l ~ ck, after tAlczo].
This type of carbon due to its high specific surface (-1000 m2 / gr) rapidly increases the viscosity of the charged polymer rVe ~ elstl, which risks rapidly inducing a f ~ l ~ ncing of the m ~ .ri ~ ll On the other hand, it is likely that there is an interest in the joint use of grafted carbon and Ketjenblack in the cathode of polymer electrolyte batteries, the first ensuring homogeneous distribution of electrons on the surface of the insertion m ~ - ~ ri ~ .., and a small amount of second (3 2% by volume) ensuring a high overall electrical conductivity. Such a composite could be described, from a formal point of view, as an interpenetrating network of two types of cond ~, c ~ u ~ éleclr ~, ~ ue.

On the other hand, in terms of technology to manufacture ~ ion ~ we can im ~ iner to obtain such a composite by an extrusion process, or such a process by the co .. ~ es m ~ c ~ ues it involves e, ~ îne the desiuu ~; ~ on aggregates. Extrusion is therefore favorable for optimal dispersion of 2194 ~ 27 -grains of c ~ bone both grafted as well as Ketjenblack. Now, a homogeneous dispersion is the goal ~ h ~.; llé for the grafted carbon, and the condu ~; livi ~ of KPtjenbl ~ rl ~ is little ~ ffçctée by the process of mixture [Akzol. These two types of carbon are therefore complementary both in terms of ~ n ~ nities that of the évenhlellP ~ manufacturing process of the cathodes. This would not be the case, if one iliC ~ it the carbon most used in the dom ~ in-P, of c ~ tteries, the black of Shawinigan, whose résisdvité ~ lug ~ e ~ -t ~ when the aggregates are broken under the effect of co, lll ~ ltes m ~ c ~ ni (read ind ~ es by the process of m ~ l ~ ngP, These grafted carbons have not currently been tested in battery, but it seems clear that the principle of grafting a polymer on the carbon surface can bring clear improvements in the particular field of b ~ tteries with polymer electrolytes, both in terms of the anode than the cathode.

II-2-3 Salt grafting:

As we have previously exposed, the use of polymer electrolytes with grafted anions, and therefore purely cationic transport, allows, a priori, to improve the perform ~ nces of b ~ tteries polymer electrolytes, and especially during calls of pnics ~ nce important. Also, it can be interesting to graft on the surface of carbon grains dissociated anions, which would allow to obtain loc ~ lement both an electronic conductivity, and a unipolar ionic conductivity, after dispersion in a solvating polymer.

The grafting of malononitrile to the surface of a carbon carrying gro - pem ~ nt ~ s carboxyls, such as FW 200 is one of the ways, relatively simple to implement, which should lead to such a material. In addition, as we have seen prérédPmm ~ have, the conductivity of the lithium salt of poly (acetylmalononitrile methacrylate) being close to 10-5 Ohm ~ l.cm ~ l at 50 ~ C, the lithium salt malononitrile grafted onto the carbon surface should therefore be at least as conductive, the aromatic nuclei cond ~ nsés to which is connected the acid being more attractive than a group alkyl. On the other hand, if there can be a doubt as to the stability of the anions containing groul ~ c; ll.ents nitriles with respect to a lithium electrode, the oxidation potential of the anion benzoyl ~ llalononitrile in DMSO - 4.5 Volts g ~ r ~ ntit the electrochemical stability of this salt in a cathode typically operating between 1.5 and 3.5 Volts. All this justifies, in a first time, the choice of grafting the malononitrile on the surface of the FW 200, in order to validate the principle to salify the carbon surface on the ~ s performance of the cathode of electrolyte batteries polymer ~ s.

The reaction allowing the grafting of malononitrile is sch ~ m ~ ticked in Figure 2.14. More precisely 4 gr of FW200 (~ 2.44 meq of carboxylic acid), are treated with 0.5 cc of oxalyl chloride (~ 6 meq) in ~ 10 cc of THF at 0 ~ C, this results in the release of CO2 ~ i 941 27 , - ~
for a few minutes. At the same time, a solution of 322 mg (~ S meq) demalononitrile in # 10 cc of THF at 0 ~ C, is treated with 80 mg of lithium hydride (~ 10 meq).
After 30 ... h .. ~ P ~, the col-tPn ~ nt carbon solution is centrifuged to ~ remove excess chloride of oxalyl, and then the anion of m ~ lonitrilP is added, in solution in THF to the treated carbon. After 2 hours, a little water is added in order to remove the LiH which may have remained in the solution, then the carbon is washed several times with THF. The carbon is then dried for ~ 24 hours under vacuum at room temperature.

(~ COOH> (~ CO ~ LiH / a ~ 2 (CN) 2 ~ (~ HERE - C ~ Li Figure 2.14: Grafting of a deion '~ c ~ with the carbon sufface.
The result of the microanalysis carried out on this carbon is given in Table 2.5, it does not inconsistent with the theoretical calculation assuming that 0.61 meq of lithium salt is grafted malononitrile on the carbon surface. On the other hand, the lithium salts generally being hygroscopic, if we assume that the lithium cation is in the form of a hydrate containing 21 molecules of water per lithium, the theoretical calculation is in good agreement with the result of analysis. The assumption of such an amount of water is not meaningless since unlike a free salt, the salts grafted onto the carbon surface cannot be organized into crystals, ~ ugmçnt ~ nt thus their hydrophilic powers. The excess of lithium can be explained by the presence of traces of LiOH adsorbed on the carbon surface (~ 30 mg / gr).
Table 2.5 Result of analysis of the carbon grafted with rnalononitrile.
Carbon C% H% N% 0% Li%
analysis 80.26 1.8 1.88 / 1.15 theory 97.8 0.3 / / 0.4 Li, 21 H2O 80.4 2 0.6 16.4 0.3 II-2-4 Conclusion:

Even if these grafted carbons have not yet given rise to b ~ ttPries tests, it has been possible to show on the one hand the richness of Fennett's chemistry to modify the carbon surface, and on the other share the po ~ ibilit ~, to graft short segments of poly (ethylene oxide) on the surface of a carbon oxidized commercial. This chemistry may be extended to the grafting of delocalized anions which could limit the development ~ .llell ~ of gr ~ iPntc of concpntration apps ~ 5 ~ iu during the discharge of the battery.

The principle of modifying the carbon surface is not limited to the composite c ~ tho ~ e, this concept pOull ~ it prob ~ hlemPnt be extended to the anode by grafting ~ oegrn ~ nt ~ poly (ethylene oxide) to the surface of c ~ l.one serving as anode in bqtteri ~ ps ~ like grains of glaphile, for b ~ tterips d ~ -no ~ ~ s "rocking chair", in which it plays the role of an insertion electrode.
.

~ 1,946 27 II-3 REDOX SOLVENT POLYMERS:

II-3-1 Introduction:

A redox solvating polymer is a material that contains both segments of a polymer solvating agent, such as poly (ethylene oxide), capable of l. ~ o, ler ions, and an electroactive function allowing the transport of electrons. L ~ m ~ c ~ ni.cmc depl ~ cPment of electrons can be done by successive jumps between an electroactive function in an oxidized state and a function in a state of lower oxidation, among these materials, let us quote the combed or sequenced copolymers of the phenothi ~ 7ine [;::, f ~ l, ocene [W ~ '3 ~ r ~ 1, or methylviologene la'an91 with segments poly (ethylene oxide). The electrons little ~ el ~ t eg ~ l ~ ment move by a mechanism of transport coop ~ if, and this speci ~ l ~ -m ~ nt in the case of polyimides formed by con-lPnc ~ tion of segments of poly (ethylene oxide) ~ min ~ s with dianhydrides of aromatic molecules, within a conduction band resulting from the covering of the 7 ~ orbitals of the lBanl1 aromatic functions 2].
As will be explained below, these m ~ tkri ~ llx appeal to the notion of molecular dlempilpmentc to explain their plupliety of electronic con ~ iuction.

Electroactive functions can be distinguished by different electrochemical criteria, such as by example, the number of electrons exchanged by function, the potential of the redox couple (s), the kinetics of electronic exchange. But from the point of view of chemistry, the essential parameter is the nature of the charge present on the electroactive function.

POLYMER
REDOX
CA ~ ONIQUE ~ + X

Me Me Me M + ~ M +
O = C ~ N ~ C_O -O - C ~ = O O - C ~ = O
~; REDOX

f ~ C ~ N ~ O r ~ C ~ N ~ o ~ C ~ N ~ O;

Figure 2.15: Exeir ~ es de poiy ", eles a mixed conduction an ~ n:, eu and c ~ lioni ~ ue.

~ 1 94 ~ 27 , ..........
As shown in Figure 2.15, methylviologen, for example, exists either in neutral form or c ~ tioni ~ read ~ depending on its oxidation-reduction state. The same is true for ferrocene or phenothi ~ 7ine, too, the redox polymers integrating them into their structures will be classified in the family of redox polymers c ~ tioniqlle ~

InvP ~ r ~ men ~, polymers containing diimides of electroactive aromatic rings, such as diimide of b ~ e (see Figure 2.15), of narht ~ lPnP., or of perylene, being either in neutral form or anionic, they will be considered subsequently as anionic redox polymers.

The chemistry of lithium batteries is a basic chemistry, in fact, the traces of water present in the electrolyte, the chain ends of poly (ethylene oxide) copolymers, or certain polym catalysts ~ ri.cation dor-nPnt strong bases by reaction with lithium, as by example of lithium hydroxide. Consequently, the cationic redox polymers may undergo a nucleophilic attack by bases present in such an environment, limit ~ nt by the same the lifetime of these materials. On the contrary, liquid amines, including liquid ammonia, are solvents of choice for the study of the electrochemical properties of hydrocarbons with characteristics aromatic 1 ~. Indeed, the very weak electrophilic power of the amines makes it possible to observe in these solvents the reversible reduction of aromatic molecules, such as perylene for example. The anionic redox polymers are therefore, a priori, compatible with the chemistry specific to batteries at lithium, in particular to polymer electrolytes, as he will try to prove later.

II-3-2 Cationic redox polymers:

Despite the doubt as to the long-term stability of cationic redox polymers in basic medium, it is still interesting to seek to extend this family of polymers, the applications poten ~ ielles of these materials beyond the field of lithium b ~ tteries. In this context, our interest was focused on the copolymers of ph ~ n ~ 7ine and 4,4'-bipyridine with segments solvents.

The synthesis of polyph ~ n ~ 7ine, to our conn ~ iss ~ nce origin ~ le is described in Figure 2.16. The met ~ tion of the nitrogen cycle increases consider ~ blem ~ nt their nucleophilic power, so the ph ~ a ~ e treated pre ~ l ~ blt-m ~ nt with sodium m ~ t ~ eu in the ~ im ~ thoxyethane allows to obtain, by reaction with alkyl halides, the N-alkylated derivatives of ph ~ n ~ 7ine ['''~]. For our part, we obtained the di-lithiated derivative of ph ~ n ~ 7ine by co-grinding a quantity st ~: chiometric of lithium with ph ~ n ~ 7ine in THF. More specifically 541 mg of ph ~ n ~ 7ine (3 meq) and 42 mg of lithium (6 meq) are weighed in a glove box in a sealed bottle polyethylene, we then add ~ 10 cc of THF, and zirconia rollers. THF takes rapi ~ emen ~ a dark mauve color, typical of monolithic phen ~ 7ine. The bottle, under argon atmosphere, is then rotated on itself, in order to carry out the co-grinding via the zirconia rollers. After ~ 24 hours, one obtains in suspension in THF, which has become colorless again, a pléci ~ orange island of 9,10-di-Li 9,10-dihydroph ~ n ~ 7in ~. 561 mg of 1,2-bis (2-chloroethoxy) ethane (3 meq), the reaction of the dichloro compound is practically immediate ~ te After one hour of grinding in the flask, the solution is centlir ~ légé, and thus the polyph ~ n ~ in ~ insoluble in THF. The polymer thus obtained is then dried for # 24 hours vacuum at 60 ~ C.

co-grinding Li (-CHzOCH2CH2Clk HN N THF ~ UN ~ U THF; --N N - (CH2CH20) 2 - (CH2) 2--Figure 2.16: Synthesis of polyphenazine.
The nitrogen of 4,4'-bipyddine is suffic ~ mmPnt nucleophiles to be quaternized, for example with segments of di-halogenated polymers, following the reaction of MenchustkinlB ~ Uridahl.
Unfortunately there are few di-halogenated derivatives of poly (ethylene oxide) available.
commercially. Even if it is possible to synthesize these materials from poly (ethylene glycol), we preferred to use another synthetic route. Poly (ethylene oxide) being cut by electrophiles, by treating high mass POE with trifluorom ~ th ~ nesulfonic anhydride, we get POE segments functional ~ licensed by trin ~ your ~ this grouping is known for be an excellent group leaving lMarChl. The advantage of such an approach is to be able to have functional segments: ~ read, the average mass of which is determined solely by the quantity anhydride used, Figure 2.17 describes sch ~ m: ltique this synthesis. More specifically, we prepare a solution of 3 gr of POE 9.105 in 20 cc of anhydrous dichloroethane, and this under argon atmosphere. This solution is brought to ~ -20 ~ C by a liquid methano-nitrogen mixture, then 940 mg of trifluorometh ~ nesulfonic anhydride (3.33 meq) are added to the solution, this stoichiometry co.lespond to an average mass of 900 for the POE segments functional ~ li ~ s.
After one night, the solution has returned to room temperature, and we can observe a clear decrease in viscosity of the solution. 521 mg of 4,4'-bipyridine (3.33 meq) are then added in solution in 10 cc of ac ~ to ~ island. After a few hours, the solvent is evaporated, the polymer taken up in acetonillile, then ~~ p- ~ cipitate in ether. The polymer is then dried for ~ 24 hours at 60 ~ C under vacuum.

_ ~. ~, (CF3So2) 2c ~ Dc ~ CF3SO3 ~ a ~ 2a ~ 2 ~ 02SCF3 N
M = 900,000 ~ 20 ~ C m ~ t ~ r. 'r; ~ e -'03SCF3 CF3S03 ~ 2a ~ 2 ~~
; Figure 2.17: Synthesis of polyv ~~ .'Dgène.

21 94 1 2 ~

Analysis by c ~ lnrim ~ differential scanning sorting (see Annex) of the polyviologen, for a speed scanning speed of 10 ~ C / min, allows the determination of a lP- ~ of tr ~ nCition vill ~ use of the polymer -40 ~ C. By cons we do not observe peaks of fusion or recrystall ~ lli.c ~ tion, this indicating the c ~, t ~ - ~; amorphous polyviologen [GUillaudl.

Voltammetry ~. cyclic for two scans succes.cif.c of the polyphenazine on one micfoéle ~ il, ude of 125 llm (see Appendix) is given in figure 2.18. The deposit on the mid ~ roelectrode is made by dipping its end in a dispersion, obtained in acetonitrile, of polyph ~ .n ~ 7.ine in POE 9.105, several times after evaporation of the solvent. The microelectrode is then dried for # 24 hours at 100 ~ C under vacuum, and placed on its support with respect to a POE 5.106 electrolyte containing LiTFSI at a concentration O / Li _ 20/1. The voltal ~ ro, l.étrie is obtained using an EG&G 270 potentiostat for a scanning speed of 2 mV / s between 1.5 and 4 Volts, and this at 80 ~ C.

8T = 80 ~ C v = 2 mV / s Ep ox = 3.65 VA
On ~ o ~ e hvdedePt12511m E ~ 2 = 3.2 V ~

~ ip ox -8 ~~ Ep red = 2.77 V ip red 1.4 1.8 2.2 2.6 3.0 3.4 3.8 4.2 E (Volts) vs. Li + / Li ~
Figure 2.18: Volta ", ~ erui" F: l, ie cyclic at 2 mV / s of poly ~, héna ~ i "e for two successive cycles ~ ~.
As we can see, the flight ~~ elected ~ cyclic lletry of polyph ~ .n ~ 7ine, because ~ cté.n.cti-lue of a quasi-reversible electrochemical system, has two redox couples at 3.2 and 3.8 Volts (this last value being confirmed by another e ~ h ~ nt ~ tiQn) ~ the corresponding redox reactions are given, Pc in Figure 2.19.

[~, ~ E - 3.2 V ~, ~ E = 3.8 V [~

Figure 2.19: Reactions, redox of phenazine.
The polyviologen gave rise to a battery test (see Annex) following a discharge regime intonciost ~ tirlue at a current density of 30 IlA / cm2, and this at a temperature ~ 80 ~ C, the result of this e ~ .nt ~ tion is given on figure 2.20 [Guillaud 2, 8 ~
2, 6 - ~ Polyvlologene _ 2.4 2.2- ~ -1, 8 -1.6--1, 4 0 0.5 1 1.5 2 2.5 e by ".Dléc- ~ 'e Figure 2.20: Déch ~ rye i "tensio ~ ti ~ .Je à 30 ~ Vcm2 du Polyviologene.
To evaluate the redox potentials co ~ ondant to these couples, Figure 2.21 preS ~ ntent the result of the inverse derivative of the potendel as a function of time, we thus obtain a curve similar to that obtained by a cyclic voltammetry. So, as we can see, the polyviologène has two steps to reduce an average potential of 2.6 and 2.15 Volts respectively. These values are in agreement with the results of the ~ Boundahl literature for the dibromo poly (decaviologene) in cyclic voltammetry.
~ I ~ I ~ I ~ I ~ I ~ I -~ ~ r UJ

1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 E (Volts) vs Li + / Li ~
- - Figure 2.21: Inverse derivative of p-, len ~ iel as a function of time (smoothed).
The .echa ~ gcability of this electrode is poor, on the other hand we only discharge 1.5 electrons per viologen pattern instead of 2 in theory, relative to the two couples at 2.6 and 2.15 volts.
The electrolyte used for this test having been uni ~ uelllellt placed in a glove box for a few days to dry it, after evaporating the solvent in air, it is likely that it still contains 4 ~; not negligible strips of water. It can therefore be assumed that the lithium hydroxide generated at the surface of the lithium attacks the viologene, and makes the reacdon high ~ u ~ - irreversible.

.
II-3-2 Anionic redox polymers:

KaptonQ or poly (4 ~ 4 ~ -o ~ ydiphenylèn ~ p ~ cllitimide) is a m ~ qtéri ~ q. ~ L of choice of ~ in (~ ustrie electronic, e ~ nl; ell ~ om ~ n ~ due to its eYc ~ nt ~ held at te-mp ~, cl ~ ih ~ ues agents, and of its resistivity of 10l6 Q.cm. Despite these properties, when the Kapton ~ is plasticized by a solvent, pyrom.qllitimide is able to accept reversibly two electrons. Once dope, the O ~
polymer becomes a semiconductor of ~ N ~ O ~
resistivity from 105 to 107 Ohm.cm IKraUse ~
Recently, the electrochemiflue properties of o O n diimides of aromatic nuclei were added to KAPTON FORMULA
profit for the synthesis of solvating polymers redox obtained by polycondensation of aromatic dianhydrides with poly (oxide) segments ethylene) ~ 1iqmin ~ s [Baril1-2], The cited work esse-ntiell ~ ment on polyimides useful the narhtqlèn- ~. and perylene as the aromatic nucleus.

Given the potential interest of anionic redox polymers, there is an interest in extending this family of materials by studying the possibilities of using other aromatic nuclei than nqphtql ~ ne or perylene, and more particularly ben7 ~ ne, benzophenone, pyrazine, and dinitrobenzene [GUillaudl. But first, it appeared important to assess the possibilities to improve the synthesis of these polyimides.

II-3-2-1 Summary:

The synthesis of polyimides can be carried out by the polycon ~ enc ~ ion of compounds di ~ min ~ s and dianhydrides, as shown in Figure 2.22. The amine is sufficient ~ nucleophile to initiate the opening of the anhydride, this leads to polyamic acid which by dehydration gives the polyimide desired.

OOOOHH
~ N--O ¦ 1 o + H2 N-- --NH2 ~ HOOC-- J - COOH n ~ ~ Acid pol ~ e OO.
~ 2 H20 --N ~ N

We ~ 1 ~ '' Figure 2.22: Synthesis of a p ~ iy; ".._ 'e by condens ~ tion of a diamine and a dianhydride.

In the dom ~ ine of electronics, we directly use a polyamic acid solution, deposited at the spinner on the substrate. After evaporation of the solvent, the polyamic acid is cyclized by a ; lr- ~ llt thPrrnique à ~ 350 ~ C lK ~] or by treating it with an equivol solution ~, pyridine lique and IMaZurl acetic anhydride.

Polly ~ t ~; c ~; we dianhydride n ~ rht ~ lane or perylene with Jeff ~ ED-900 mine in the DMF, in the form of polyamic acid at first, then its cylisation by mixing pyridine /: lcétQnitrile does give electroactive polyimides [Banl11 However, this process has the drawback of using a solvent with a high boiling point (Teb = 153 ~ C) of which it is relatively tliffi ~ island to get rid of & -lasser.

First, it is possible to obtain the polyimides by Jeffamine polycondensation ED-900 or ED-2000 with respectively the dianhydride of ben7 ~ ne, napht ~ l ~ ne, and perylene, direct.oment in cha ~ -ff ~ nt a mixture of polymer and dianhydride under vacuum at 160 ~ C. More specifically the Jeff ~ mine samples are initially degassed and dehydrated, bubbling dry argon for - 2 hours in the molten polymer brought to a temperature 100 ~ C. The exact mass of Jeff ~ min ~ is then determined by determining the amines te rnin ~ lP in water with a standard solution of hydrochloric acid. Subsequently, 10 gr of Jeff ~ ED-2000 mine or ED-900 and the quo ~ itG stoichiometric respectively of ben7 ~ ne ~ naphth ~ l ~ nP, or perylene are weighed in a glass cell. The cell is then placed in an oven, connected to a pump vacuum, then the oven brought to a temperature of 100 ~ C for 2 hours, and overnight at 160 ~ C by the following. There is a marked increase in viscosity over time, indicating that the polycon-lenc ~ tion is carried out under the conditions described above with the dianhydride of benzene and napht ~ l ~ ne ~ It is interesting to note the similarity of this synthetic route with an extrusion to hot of a mixture of Jeff ~ mine and dianhydride, this process could very well be a way inrlllstrielle access to these m ~ téri ~ m ~

On the other hand, the two tests with perylene do not lead to a polycondensation reaction, the Jeff ~ mine remaining in the liquid state, moreover we can still clearly see the grains of the dianhydride perylene. It therefore seems that the low solubility of perylene prevents Jeffamine from reacting with anhydride. Polycondence ~ tion of polyimide with perylene dianhydride is fine ~ l ~ mPnt obtained by bringing to reflux, under argon, a ~ luanlilG éqUimol ~ ire of JeffAmine ED-900 or ED-2000 in the DMF hangs ~ nt ~ 24 hours. The DMF is then evaporated using a rotary evaporator.
The polyimides obtained are then dissolved in ~ celon; I. island, centrifuged to remove impurities p ~ nt ~ s in the solution, then .G ~ rGcipités in ether. These polymers are then vacuum dried at 80 ~ C for ~ 24 hours.

Subsequently, during a new synthesis of these m ~ t ~ ri ~ c at a temperat - re of 180 ~ C, it appeared that the polyimides obtained were insoluble in acetonitrile. Likely ~ hl ~ m, have polyimides 2 ~ 941 27 may crosslink when the cyclisadon temp ~ l ~ lur ~ is too high, probably by attack from Jeffamine oxygen by carboxylic acids, relatively acidic (pKa ~ 2), acid polyamic. Also, another synthetic route by diC-tilI ~ tio ~ azeotropic of Jeffamine and a Dianhydride in toluene has been considered for the synthesis of polyimides. The tests were performed with ben7 ~ dianhydride, respectively with Jeff ~ min ~ q ED-900, ED-600, or ppO ~ min ~ s mass 400. In order to limit the risk of crosslinking, four solutions are added to the solution.
equiv ~ lcnts of triethylamine p ~ r equivalent of dianhydridc. Once the scl .. ~ iGn de Loiuene at reflux, a quantity of water is observed in the condensing finger of the Dean-Stark apparatus, substantially equivalent to the stoichiometric quantity corresponding to the polycon ~ çnc ~ tioll, and this after a period of time ~ l hours. After overnight reflux, the toluene is evaporated, the polymer taken up in the acétQnitriIe, centrifuged, ~ JleCi ~ in ether, and finally dried ~ dried for ~ 24 hours at 60 ~ C under vacuum. With the same starting monomers, polyimides which are soluble in acetonitrile even in the ~ absence of triethylamine, the reaction taking place at a moderate temperature (Teb toluene = ll 1 ~ C) which is not suffic ~ nte to crosslink the material.

The det ~ l ...; .. ~ tion, by size exclusion chromatography (Cf Annex), of the average mass of polyimides makes it possible to compare the influence of their synthesis process on the reaction of polycon ~ encqtion. To this end, Table 2.6 groups together the results obtained for the copolymers of benzene dianhydride with different solvating segments r ~ i ~ min ~ s ~ GUillaudl. From the mass number average, it is possible to determine the average number of component monomer units polyimide ch ~ înPs. Except for the polyimide with Jeffamine ED-2000, this number is between lS and 30 units, which is a good result for a polymer obtained by a reaction of polycorldçnc ~ tion.
Table 2.6 Influence of l "~ t ~ of poly synthesis;, l, des on the polycondensation reaction.
Polymer Mass Mass Number Index Method diamines by weight in number polydispersity of cycling unitsPPO-400 9100 4600 2 15 A
J-600 21400 10300 2.1 27 A

J-900 21800 14200 1.5 20 B
J-2000 16500 9700 1.7 8 C
A: Azi distillation: vtr read in toluene in preseI ~ e of triethylamine.
B: Poly ~; ondensation in acetonitrile at 20 ~ C, then cy., Ii ~ tWn of polyamic racide at 160 ~ C under vacuum.
C: Cyclization at 1 60 ~ C under vWe.
The low number of monomer units with the kff ~ ED-2000 mine can be explained by the process of synthesis. Indeed, we do not start from a homogeneous mixture of aromatic dianhydride and Jçrr ~. ,, i,. &, Which ~ 1iminIle all the ren-lem ~ nt of the polycûntlen ~ qtiorl On the other hand, as illustrated the results ~ tc with the Jeffamine ED-900, we get a polymer sencibleme-nt equivalent as well by (li ~ till ~ n azeotropic, that by hot cyclization of polyamic acid, previously obtained in solution in a ~ ~ tQ ~ ihiIe It therefore appears that the synthesis by azeotropy or by hot cyclization of the polyimides allows to obtain average masses between 10,000 and 20,000, which is s ~ lffls ~ nt for a apply ~ fion in the ~ sb ~ tt ~ ries with polymer electrolytes. Indeed, the polyirnide is in this case charged with carbon grains and insertion material which serve as reinforcement for the polymer. Moreover, he low mass polyimides are unlikely to diffuse into the electrolyte based on poly (o ~ ethylene cyde), poly ~, s of chemical nature dirr ~. ~ ente being generally inr ~ o ~ patible between them. On the other hand, the synthesis of polyimides by azeotropy is the most advantageous to use.
laboratory scale, due to its ease of implementation, and the possibility of synthesizing batches of polymers of one hundred ~ ine grams each time.

Another p ~ m ~ tre ~ cc ~ ntiel to consider is to ~ determine if all of the polymer is well cyclized in the form of polyimide under the conditions of synthesis prece ~ e-mment described. To do this, the the simplest method is to detach a battery (see Appendix) whose cathode is composed of a mixture of carbon and polyimide to be studied, which actually corresponds to carrying out an assay coulometric of the imide functions of the polymer. Figure 2.23 shows the result of the intensiost ~ tick discharge at 30 ~ lA / cm2 of the polyimide obtained by a_eotropy, from the dianhydride benzene and Jçff ~ ED-900 mine (B / J-900), for a battery with a capacity of ~ 0.16 mA.h / cm2.
3.5 1 ~ l 3 BlJ-soo ~ -t_ '2.5 -o 1, 5 -oo, 5 1 1, 5 2 e per molecule Figuro 2.23: Discharge i "lel ~ sio ~ eu at 30 ~ LA / cn ~ of the B / J-900 obtained by azeotropy.
As we can co ~ e ~, the quantity of charge extracted from the glued polyimide:, yond e "~ e ~ nt the equivalent of two electrons per molecule of pyrom ~ .llitimi ~ e, this result validates the process for the synthesis by distill ~ tioll a_éotropique of polyimides. Similarly, trials similar on the polyimide of ben7 dianhydride ~ nP. with the Jerr ~ "; ~ lo ED-900 or ED-2000, obtained by cyc! i ~ tion hot, confirrn.-nt that in these con-litions the whole polymer is well cyclized.

2 ~ 94127 II-3-2-2 Electrochemical test:

~ .cssons we m ~ inten ~ nt to the study of the electrochemical properties of various dianhydrides of aromatic rings (ben ~ e, benzophenone, pyrazine, dinitrobenzene) copolymerized with J ~ rr ~ ç ED-900. The reslllt ~ tc are obtained from batteries (Cf Annex) whose cathode is composed of a m ~ nge of the polyimide studied and of carbon, using a Mac Pile ~ 9 device (Bio-Logic) developed to eLfecluer from flight ~ on ~ slow caliper.

a) Benzene: -Figure 2.24 p, ~ feels the cyclic voltammetry of the polyimide of the dianhydride of ben7 ~ ne with the Jçffamine ED-900, obtained by azeotropic distillation, which we will call more simply by B / J-900. This cyclic voltammetry, typical of a quasi-reversible system, shows that the material pl ~ senle two redox couples well de ~ set respectively at 2.16 and 2.5 volts, both couples being separated by ~ 340 mV.

T = 80 ~ C ~ ~ E ~ 85 mV
POE / LiTFSI 20/1 / \ P

v = 84 mV / hr Epred2 = 1.94 V Epred1 = 2.27 V

1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 E (Volts) vs Li + / Li ~
Figure 2.24: Vo / tai "~ é, u", ~ lri ~ cyclic at 84 mV / hdu B / J-900.

The results given in table 2.7 make it possible to co, l, counter the redox potentials of the diimides of ~ l ~ ne, naphthalene [Banl1], and perylene IB ~ nlll with Jçffamine ED-900.

Table 2.7 redox rolerdiel of the diimides of benzene, napl, l Y ~ e, perylene with Jeffamine ED-900.
CoreE ~ l (Volts) E ~ 2 (Volts) ~ E (mV) Method Speed ~ ~ n ~ ene 2.31 2.16 340 Volt ~ "~ rA" e ~ ie slow 84 mV / h Naphthalene2.6 2.35 250 11elecrode 125 llm 2 mV / s Perylene 2.48 / Volt ~ ,, ~, e, u ,,, ét-ie slow 10 mV / h 219ll ~ 27 ._ It is inlél ~, ssanl to note that the difference between the first and the second redox couple tlimin ~ le as and as we ~ ugJnente the size of the aromatic nucleus, it is likely that this is related to the ~ ugm ~ nt ~ tiorl of the ~ ict ~ nce separating the two imide functions. So, for perylene, the two imide functions are sllfflc ~ mment distant so as not to be influenced one relatively to the other, the red ~ ction s'Prrecll ~ e in this case by a m ~ C ~ nicelectronic.
b) Benzophenone:

Cyclic voltammetry of the polyimide of benzophenone dianhydride with Jeff ~ mine ED-900 (BzP / J-900), obtained by azeotropy, is given in Figure 2.25. This polyirnide presents three peaks of reduction of a potential at the top of the peak of approximately 2.1, 1.75, and 1.4 Voltc, in agreement with the r ~ slllt ~ tc of the literature on the polyimide of the benzophenone dianhydride with the di ~ mi ~ ino phenylindole [V ~ hbeck].

BzP / J-900 f O ~

~ -1 O- ~

- 2 o ~ 3 ~ ~ v = 10 mV / h 0.5 11.5 2 2.5 3 3.5 E (Volts) vs Li + / Li ~
Figure 2.25: Voltai "~ eru", cyclic ts ~ rie at 10 mV / h of BzP / J-900.

Unlike these latter results ~ tc, we do not observe oxidation peaks in back sweep in the present case. The redox reaction corresponding to this polyimide is given in Figure 2.26.

--N ~ ON-- --N ~ N--o OO O ' --N ~ N-- ~ --N ~ N--Figure 2.26: F / redox eations of the ben2 ~ henone diimide.

~ 1,941 27 It is inlél ~ cs ~ ll to note that everything happens as if one superimposed the redox properties of the diimide with that specific to benzophel-one. The pl ~ nce of a r ~ ire species with low potential, conjugated to the lelll ~ ule of 80 ~ C cycling, can explain the degradation of m ~ téri ~ u; by cutting a bond c ~ l, one carbon, or by a reaction of collp1age between two species r ~ rli ~ ires by ~ emrle c) Dinitrobenzene:

The dianhydride of dinitroben7 ~ not being commercial, it is synthesized by oxidation of dinitrodurene, as shown in Figure 2.27. A solution in 2 liters of water of 30 gr of dinitrodurene (0.159 moles), 118.1 gr of potassium carbonate (0.855 moles), 211.5 gr of potassium permanganate (1.34 moles), and 20 g of tetrabutylammonium bromide (0.064 moles) is brought to reflux with mechanical agitation for ~ 72 hours. The solution is then filtered in order to ~ eliminate the manganese dioxide formed during the reaction. After having concentrated this solution to 3/4 using a rotary evaporator, it is aci ~ ifi ~ e with 80 ml pure hydrochloric acid (pH ~ 1). Then extracted with five fracdons of ethyl acetate, then three ether fractions. The organic fractions are mixed, s ~ h ~ e. ~ With sodium sulfate, then the whole evaporated using a rotary evaporator. The product obtained (6 gr, 10% yield) melts at a temperature of 230 ~ C, which agrees with the melting point of the acid dinitropyromellitic given in the literature [Smith]. The poor performance obtained can be explained probably by the low solubility of this tetraacid in organic solvents.
NO2 N ~ 2 o N ~ 2 o H3C ~ 1 CH3 HOOC_ 1 COOH
H3 ~ KMnO4 ~ ~ COOH THF ~

N02 N ~ 2 ~ N ~ 2 ~
Figure 2.27: Synthesis of dinitrobenzene dianhydride.
This product is then cyclized to its dianhydride by treating it with two equivalents of anhydride trifluoroacetic in cold THF. After one hour, the THF is evaporated using an evaporator rotary, and the dinitrobenzene dianhydride stored in a glove box. This product allows you to polyimide coll ~, ~ undulating with J ~ ffamine ED-900 (DNB / J-900) by azeotropy.

Figure 2.28 shows the intentiostatic discharge curve at 30 ~ A / cm2 of the DNB / J-900. n is surprising to con ~ t ~ ter that the diimide of dinitrobenzene is capable of accepting four electrons in reduction Malheu ~ se ~ .e ~ -t ce m ~ tér ~ pr ~ llte mediocre cyclability. A discharge limited to an electron does not improve the cyclability of the material, this low reversibility of the dil.i ~ rllitimide is not app & lc llent not linked to the fact of illje ~ r four electrons in the molecule.

~ 1,941 27 ,.

3 1 1 1 3.2 DNB / J-900 ~ DNB / J-900 ~
o ~ 3 - _ + 2.5 discharge 2.8 ~

u ~ \ \ 2.6 ~ ~ r discharge 2nd discharge ~ -- ~ 2nd discharge ~~
1.5 1 1 1 ~ 2.4 0 1 2 3 4 0 0.2 0.4 0.6 0.8 e ~ by molecules e ~ by molecules Figure 2.28: Inten ~ io, ~ eu discharge at 30 ~ A / cm2 of the DNB / J-9oo.
The calculation of the inverse derivative of the potential as a function of time makes it possible to simulate a discharge potentiostatic of the polyimide, and thus to specify the potential of the redox couples, as illustrated by Figure 2.29. During the first discharge up to a potential of 1.5 Volts, three peaks in reduction are obtained with a respective potential of approximately 2.7, 2.5, and 1.8 Volts. However, the second discharge only appears a peak at 1.78 Volts, thereby illustrating the degradation of the polyimide. By limiting the discharge to an electron by dinitropyromelli ~ imi ~ e, we still observe a peak at z 2.5 Volts at the second discharge, but the discharged capacity corresponds to only one fifth of the capacity in the first cycle.
~ I ~ I ~ ~ I ~ I ~ I -1 st cycle 1 st cycle ~ / ~
J ~ ~ ~ 2nd cycle , 0 ~, r2ème cycle '~, J

2 3 4 2.2 2.6 3 3.4 3.8 E (Volts) vs Li + / Li ~ E (Volts) vs Li ~ / Li ~
Figure 2.29: Inverse derivative of the potential as a function of time (smoothed).

~ 1 94127 .
To tPrminate with this m ~ tee ~ l Figure 2.30 p- ~ feel a redox reaction that can explain injecting four electrons into the molecule. In fact, it seems that everything is happening, exactly in the case of the benzophenone dimide, as if the redox properties of ~ liimide ~ were posed with that specific to dih ~ i ~ obe .. ~ n ~ ..

~ N ~
_ ~ _ = ~ _ ~

Figure 2.30: ~ éa-, redox dinitropyromellitimide.
d) Pyrazine:

Before studying this material, we had to synthesize its dianhydride, according to the procedure described in Figure 2.31 lCha ~ aWaYl. More specifically, 55 gr of 1,2-phenyl ~ nedi ~ mine (0.51 moles) are dissolved in 500 ml of hot water, then 70 gr are added dihydro ~ y ~ l, ~ sodium te. After complete dissolution of the latter, the solution is filtered, and 100 ml of 36% hydrochloric acid are added to the filtrate. After cooling down, the solution is to again filtered, and the solid obtained recrict ~ e in 700 ml of boiling water with activated carbon.
After hot filtration, it appears to cool ~ emnt the solution of the crystals, which are recovered by filtration and washed with cold water. Quinoxaline-2,3-dicarboxylic acid is obtained with a 38% yield, and has a melting point of 188 ~ C.
OH
Q ~ NH2 HO COO Na + Ha ~ ~ COOH
~ NH2 HO- COO ~ a + H2o l ~ l ~ hd ~ COOH
OH

o ~ O ~ o ~ (CF3CO) 20 X (~ ~ KMnO4 OO
Figure 2.31: Synthesis of the pyrazine dianhydride.

21 941 ~ 7 Subsequently, a solution of 18.6 gr of this acid in 240 ml of 1M potash, added with one liter of KMnO4 at 8%, is brought to reflux for 6 hours. Once the solution has cooled, add rneth ~ nol until the solution discolours. After filtration, the solution is concelllr6e to 200 ml, then acidified to a pH of 3 with 50 ml of SM hydrochloric acid. The precipitate of potassium di-salt tetraacid pyra_ine is recovered by filtration, and washed with absolute alcohol. Salt pot ~ Csillm is then recrict ~ llisé in 100 ml of 20% hydrochloric acid, then with 40 ml of water.
This gives Létlacall acid, oxylic P, ~ h ~ G, with a ren ~ emçnt of 70%. Its anhydride is obtained under the same conditions as for the dianhydride of dinitroben7 ~ ne In this case, it is not possible to obtain the corresponding polyimide by azeotropy, pyrazine seems to degrade during the reaction, probably by a decarboxylation reaction. The polyimide is rather synthesized by reaction of the anhydride with kff ~ mine ED-900 (Py / J-900) in ~ retonitrile ~, then cyclization of polyamic acid with m ~ l ~ npe pyridine / acetic anhydride, followed by reprecipitation in ether. Figure 2.32 gives the result of the first and the second intensiostatic discharge carried out at 30 ~ Vcm2 of this m ~ téri ~
2.8 2, 6 ~ PYlJ-9oo T = 80 ~ C
o_ - POE LiTFSI 20/1 ~ 2.4 - ~ ~ Id = 30 ~ A / cm 2 , 2.2 -.. 2 - \ ~ _ 1.8 - \ 1st discharge 1, 6 - 2nd discharge 1.4 o 0.5 1 1.5 2 2.5 e by ", ~ é ~ lle Figure 2.32: Discharge i "la,) ti ~ sl ~ e from Py / J-900 at 30 ~ J / cn ~.
During the first discharge, two well defined trays appear which can be attributed to rGdox couples specific to the two imide functions, but which represent only half of the ~ pa ~ theoretical polyimide. In addition, after recharging, these two trays can still be distinguished on the discharge curve, but IGprGsGlltent more than half of the capacity in the first cycle For ~ assess the redox potentials corresponding to these couples, Figure 2.33 pr ~ n ~ en ~ the inverse derivative potential as a function of time, we thus obtain a simil ~ ire curve to that obtained by a cyclic voltamp ~ IllGl ~ ie. The potentials at the peaks we attribute to redox couples of the pyrazine diimide are 2.6 and 2.25 Volts, respectively, or approximately 300 mV
above those relating to the diimide of ~ 7 ~ l ~ e.

~ 1 94 ~ 27 .
~. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
I cycle DD 1st cycle \ ~
~ / ' ~. I ~. . . I. . . . I. . . . I. . . .
1.5 2 2.5 3 3.5 E (Volts) vs Li + / Li ~
Figure 2.33: Inverse derivative of the potential as a function of time (smoothed).

II-3-2-3 Molecular stacks:

Table 2.8 groups the peak current intensities obtained in cyclic voltammetry over a microelectrode of 25 ~ Lm, for three electroactive species, respectively the diamide of the ferrocene, the diimide of naphthalene, and the diimide of perylene, copolymerized with Jeff ~ mine IBanl1l. These inten.citPs being determined for an identical scanning speed (40 mV / s), at the same ~ t ~ Ire (80 ~ C), and with the same chain length of the ~ egm ~ n ~ solvating agent (Jeff ~ mine ED-900), a ~ Increase in the intensity of current between ferrocene and ~ iimides of nuclei aromatic is surprising to say the least.

Table 2.8 Influence of the electroactive species, copoly ", erected with the Jeffamine ED-900, on the current peak measured on a ", r ~ le_ll., from 25 llm to 80 ~ C, for a speed of 40 mV / s, according to lBanI1].
Redox molecule Ferrocene diamide Naphthalene diimide Perylene diimide ipiC (nA) 0.046 1.3 130 ipic / ipic (ferrocene) 1 283 2830 This increase in current for the iimides of aromatic nuclei can be justified if we admit that the electrons no longer move by activated jump from one active site to another, in correlation with segmP ~ s movements of the macromolecular chain, as in the case of ferrocene, but by a m ~ r ~ n; ~ e of cooperative transportation. Such a m ~ c ~ ni.c.Ae of displacing electrons involves the concept of molecular stacking 18anl1l Indeed, planar molecules po ~ s ~ ed ~ nt a system ~ conjugated orbital, such as diimide ~ aromatic nuclei, are likely to crictallicp ~ r following a quasi-~ midimPn.cional structure which in fact corresponds to an empiIe.mP.nt of the nuclei aromatic. These empilPments are a priori favored in polar lalond environments ~ that are in especially the polymer electrolytes formed by the ~ icsol ~ tion of a salt with anion delocalized in poly (ethylene oxide) 2194t27 I.
Figure 2.34 illustrates this conce ~ l in the particular case of the copolymer obtained from dianhydride n ~ rh ~ lP.nP, and an oegm ~ nt of poly (o ~ yde of ethylene) (li ~ min ~ s e- 'O. .

'. ~ ~ M ~
.
Figure 2.34: Model of e "l ~.;. 'E7, ents i7 ..,' éc ~ for poly (naphthalimide-ethylene co-oxide).

Analysis by differential scanning calorimetry (Cf Annex) of the tllprmi ~ read properties of polyimides according to the length of the chain of the solvating segment, and the nature of the species electroactive. should allow us to confirm the validity of this hypothesis. Figure 2.35 illustrates the results obtained for the copolymers, obtained by azeotropy, of the benzene diimide, with the Jçff ~ rninP, ED-600, 900, 2000, and the PPO di ~ rnin ~ s mass 400 IGUilbUdl.

- 30 ~
T / ~ t = 1 0 ~ C / min - 44 ~ l ~ B / J-600 o ~
~ D. 60 ~ 1 ~ B / J-900 ~ I \
~ 300 \

Temperature Figure 2.35: Influence of the nature of diam sey ", ~" l on the properties tl, e "" ~ es of the copolymers diimide du be, ~ el) e with Jeffamine ED-600 900, and 2000, and PPO 400 diamines after [Guillaud].

. .
It app ~ ul that the tempel ~ tulG of tr ~ n.cition vill ~ se polyimides ~ ngmçnte when we decrease the length of the rh ~ în ~ -s, and thus goes from -60 ~ C with the Jerr ~ ..ine ED-2000, value close to that for pure POE [VaU ~ el, at 3 ~ C with PPO 400. This a ~ lgrn ~ nt ~ til ~ n of te ~ of tr ~ n.
is probably related to the ~ limim1tion of the degrees of freedom of the ch ~ înP ~ constraints to their two e ~ iles. On the other hand, only the polyimide with the Jeff ~ mine ED-2000 recri.ct ~ lli.se, the other three segments perm ~ tt ~ nt to obtain m ~ t ~ .ri ~ amorphous.

As for Table 2.9, it is possible to evaluate the h-fl.) E ~ -ee of the aromatic nucleus on the temperature of glass transition of the copolymers of Jeffamine ED-900, with respectively the diimide of ben7 ~ ne ~ n ~ pht ~ l ~ .n ~., and perylene lGUillaudl.
Table 2.9 Influence of the nucleus aI ~ "~ d ~ Je on Ia te""~ erdl- of l, dnsiti ~ n vitreous copolymers of Jeffamine ED-soo with. ~ ~; tiioment the benzene diimide, na ~ ne, perylene, according to [GuiIIaud].
Aromatic nuclei Benzene Naphthalene Perylene T ~, (~ C) -44 -43 -45 As this table indicates, the glass transition temperature is independent of the nucleus aromatic component of the diimide, it can be concluded that it only depends on the thermal properties of Jeffamine ED-900. This result militates for the hypothesis of the presence of molecular stacking of the diimits of aromatic rings, the polymer segments placed at exteriors s'or ~ ni.c ~ nt independently ~ mment of these.

On the other hand, to complete these results, an X-ray diffraction study of different polyimides was undertaken in collaboration with the physical spectrometry laboratory (LSP) of the University of Grenoble. First, Figure 2.36 shows the X-ray diffraction spectrum of copolymers of diimide of bçn7 ~ n ~, naph ~ ne, and perylene, with the Jeff ~ mine ED-148 lDiuradol.

~ P / D-1 48 ....,, .. ,,, ~, ~ ,, ~, N / J-148 I

~ ~ ~ B / J-148 o 10 20 30 40 50 60 2 ~ (degree) Figure 2.36: X-ray diffraction spectra of copol ~ ", er ~ s of the benzene diimide, naphthalene, etp ~ ne with Jeffamine EO-148, relative to the K "~ line of copper, according to [Djurado].

.
Figure 2.37 compares the X-ray diffraction spectrum between the copolymer of Jerr ~ ED-148 and ED-230, and the diimide of b ~ n7 ~ n ~

J ~ ~ B / J- 230 ~ ~ B / J- 148 o 10 20 30 40 50 60 20 (degree) Figure 2.37: Influence of the chain length on the Jirfict-, lion X spectra of the diimide of benzene with Jeffamine ED-148 and E0-230, relative to the Ka line of copper, according to [Djurado].
As for Figure 2.38, it compares the X-ray diffraction spectrum between the copolymer of Jeff ~ mine ED-900 and ED-2000, and the diimide of ben7 ~ ne 1 ~ '1 1 not a word ~ B / J- 2000 20 (from ~ é) Figure 2.38: Influence of the length of the chain on the X-ray diffraction spectrum of the copolymer of pyrromellitimide with Jeffamine ED-900 and ED-2000, relative to the Ka line of copper, according to [Djurado].

219412 ~

II-3-3 Application as ~ born ~ electron in batteries:

The polymers with mixed conduction devl ~ ienl allow to catalyze the reaction of insertion within the cathode of polymer electrolyte batteries, allowing ~ nt the joint transport of ions and electrons on the surface of the insertion material. One way to highlight this hypothesis is colupa ~ r the discharge of a battery whose cathode is conctit-lée of the mixture of a m ~ t ~ ri ~ u of insertion and of a polymer electrolyte based on poly (ethylene oxide), in the ~ bsPnre of any additive electronic conduction, like carbon particles, with a battery in which substitutes poly (ethylene oxide) with a mixed conduction polymer capable of transporting electrons in the redox state ~ approplié.

More specifically, the equation below describes the reaction corresponding to the joint insertion of a cation lithium and an electron in the ~ u; Lure of the m ~ t ~ ri ~ l insertion (MI):
~ Li + + ~ e ~ + LixMl ~ Lix + ~ MI
The catalysis of this reaction consists in coating the m ~ t ~ ri ~ l) of insertion (MI) with a polymer to mixed conduction (PI) capable of transporting sim - lt ~ né-mPnt the cadon and the electron on its surface. Of a in a way, this amounts to considering that the polymer with cond ~ mixed action pr ~ se ~ t ~ nt a cinédque fast relative to that of the insertion material, it temporarily stores the charges, before it does not fit in the end in the insert material ~ ion. The following squadron illustrates this pdncipe:
~ Li + + oe ~ + PI + LiXMI) Li ~ + PI ~ - + LiXMI) Pl + LiX + ~ MI
If it is possible to carry out such a catalysis, a low coulombic capacity of the polymer to mixed conduction, relatively to that of the insert material, must be sufficient But this principle can only work if the thermodynamic potential of the insert material is greater in a wide range of composition to that of the redox couple, ideally with higher potential, redox polymer, in order to allow the reoxydadon of the latter during the discharge. If the kinetics of the insertion reaction is controlled by the mixed conduction polymer, the battery to the latter's redox potentdel. The goal is obviously to make work the highest possible insertion material to the potendel, in order to optimize the energy density.
.
If we plan to védfier this pdncipe in u ~ n ~ the diimide of benzene which has a first peak of reducdon to 2.27 Volts, molybdenum trioxide (MoO3) whose half-discharge potendel is 2.3 Volts l ~, piésellte a good choice of m ~ t ~ ri ~ u insertion for such a study. This material, from sllu ~: lu ~ m ~ ire ~ and capable of inserting 1.5 lithium atoms per molybdenum into its structure, the subject of numerous studies in the 70s, with a view to an eve-ntuçll ~ applicadon as cathode in lithium anode batteries [Al,, d ~]. This test only makes sense if we compare cathodes with a capacity and an equivalent composition. Also, the two batteries tested pr ~ sçn ~ e ~ -t such c ~ closest possible capacity relative to molybdenum trioxide, in this case included between 14 and 15 C / cm2, considering 1.5 Li / Mo, and are of the same volume composition, ie 40% by volume of MoO3 for 60% by volume of polymer, whatever its nature.

Figure 2.39 shows the result of the discharge at the same rate of 30 IlA / cm2 for these two configurations of boateries. The calculation of the theoretical capacity for that using the polymer to COI-duC!; OI ~ mixed (B / J-900) takes into account the cap ~ i ~ é brought to the cathode by the latter. The simple substitution of poly (ethylene oxide) by poly (benzodiimide-ethylene co-oxide) allows undoubtedly improve the performance of the cathode, and thus move from a capacity use of the method from 28 to 91%. In addition, it app ~ î ~ a well defined plateau at 2.35 Volts, representing ~ 20% of the theoretical capacity of the cathode, which can be attributed to the potential redox corresponding to the start of the first polyimide reduction peak (Cf II-3-2-2).

2.8 ~ Polymer: B / J-900 2.6 - \ --- ~ ---- r ~ c.ly "~ èr ~ :; POE 3.105 t. ~ Insertion material: MoO3 ~
J 2.4 -Id = 30 ~ A / cm2 -2.2 - ~. Em = 2 26 V Em = 2 3 o 2 uJ 1, 8 -1, 6 --C, h = 3.9 nlA.hlcm2 C ~ h = 4.4 mA.h / cm2 1.4 ~ I ~ I I. I, % Theoretical capacity Figure 2.39: Catalysis of li "se, ~ i ~ n of lithium in MoO3 speaks B / J-900.
The validity of these tests is confined by a ~ e-lxth battery test for each configuration, for slightly different capacities, which gives a coulombic discharge yield substantially equivalent to that obtained during the first test corresponding to each configuration ~

For its part, FIG. 2 ~ 40 makes it possible to compare the discharge from the cathode cont ~ n ~ nt the polymer to con ~ uction mixed and molybdenum trioxide, to that relating to what would be the discharge of the only polymer con ~ u ~ tiQn mixed, and this according to the result obtained during the discharge intenctiost ~ tirlue B / J-900 (Cf II-3-2-1, figure 2 ~ 22) for the same current density, and a capacity of the same order of magnitude (0.16 vs ~ 0.26 mA ~ h / cm2). In this case, the theoretical c ~ p ~ eity appo. ~ Ée by polyimide n, pr ~ sellte ~ 6% of the theoretical capacity of molybdenum trioxide, moreover, if one fits ~ .esse ul ~ uenlent to the capacitive neck-espondant to a potential greater than or equal to 2.35 Volts, it only ~ lese ~ more than 0.3% of the c ~ r ~ ç; l ~ practice obtained during the discharge of the cathode.

3 1 1 1 lll ------- MoO3 + B / J-900 ~ 2.5 - "B / J-900 only t ~ ~ --------------------_ _ Id-30 ~ A / cm 2 ~ ~. -C ~ h = 0.26mA. h / cm C, h = 0.26 (B / J-900) +4, 1 7 (MoO3) = 4.43mA. h / cm Time (in hours) Figure 2.40: Theoretical discharge of the polyimide relative to the MoO3 / B-J900 cathode.
It follows from all of these r ~ s - 1tqtc, that the term of electronic catalysis is perfectly app, op.ié, in this case, to qualify the role of electronic m ~ iqtellr of polyimide with respect of the reaction for inserting lithium into molybdenum trioxide It is of course obvious that these tests deserve to be deepened further, but at this stage, it is already clear that the concept of electronic catalysis, during the discharge of batteries, by polymers with anionic mixed conduction, and this at the microscopic level, opens the way, at least for primary systems, a wide choice of cathode materials the use of which has not present not retained in practice, due to their slow kinetics, or their electronic resistivity too high, defects which could therefore be partyPll ~ m ~ n ~ overcome.

On the other hand, these results suggest the importance of finding polymers with mixed conduction anionic, whose potential would be greater than that of the insertion material, and would therefore be ide ~ l ~ mPnt in a range of potential located between 3 and 4 Volts, and which would allow for their part to catalyze the reaction of disconnection when recharging the battery.

II-3-4 Application as a reserve of pl ~; cs ~ rce in batteries: -For some ~ nnpes ~ there is a renewed interest in the energy systems of pnic ~ cqnce ~ originally initiated by American military programs aimed at developing guns electrom ~ gr ~ ticks and pulsed lasers. At the time; ~ you ~ Plle, the potential applications of these systems d ~ pq ~ nl largely this framework, and we consider di ~ er ~ s utilic ~ tions of these components for the electrot ~ hnique, and more particulièlGIllellt in the dom ~ ine of the automobile.
Indeed, direct electrical functions in current automobiles, such as starting up heat engines, airbag triggering, prech ~ nff ~ ge catalytic converters, or 21 94 ~ 27 .
defrost n ~ these $; slow to have a significant license (~ 2 kW) for a period of time fairly short. The problem is even more crucial in electric vehicles for which only the on-board ieS bq-tte fn-rniccent energy perrnettq-nt to propel them, and all the more in veh ~ lles hybrid electric traction, ie those where we couple a g ~ n ~ r ~ qtrir, e thermal with bqtteriPs To fix the orders of grqnde ~ lrs, table 2.10 summarizes the energy needs supplied by b ~ qttpries for these three types of vehicles in terms of energy content, puiCcqnce, and potential of qlimerlt ~ tion of the engine [Degayllo ~. Assuming these vehicles are equipped with b ~ q-tte- ~ içs with a specific energy of 100 Wh ~ kg, this table also indicates ~
weight of head ~ ieS n ~ stop ~ i ~ e, and the specific pnic ~ cqnce which they must deliver under these conditions.
Table 2.10 Energy requirement of a hybrid and electric vehicle.
Power and Energy Current vehicle Hybrid vehicle Electric vehicle kW 2 50 100 kWh 0.5 5 50 Vol ts 26 300-500 500-700 battery weight (kg) 5 50 500 W / kg battery 400 1000 200 IndépPndq-mmP-nt of the nature of the bq ~ ttç ~ ies used, it is often antagonistic to optimize them with the times to mqlrimicer the specific energy, and to deliver p ~ iss ~ qnres important, this lltilicq, tion r ~ sult ~ nt in a premature degradation of battçriPs. The coupling of the battery with a component of pniccqnce is currently the envisaged solution to have both a battery which one can optimize the geometry in order to optimize its energy density, and which limits the pnicsqnce which is required of it at a relatively low value (~ 20 W / kg).

Studies on pllissq-nre components focus on capabilities that implement the use of the electrochemical double layer (~ 20 IlF / cm2) developing on the surface of carbon with a large specific surface (-1000 m2 / gr). At present, in lltilicq-nt electrolytes organic, we obtain capacities of a specific energy -SWh / kg and a pnicsqnce specific from 1 to 10 kW / kg, capable of performing at least 100,000 charge / discharge cycles.
Other avenues of study relate to the use of ruthenium oxide electrodes in an acid medium sulfuric, we take advantage in this case the rapid insertion of the proton in RuO2, it is actually a pseudo-c phenomenon ~ p ~ ce It is églqlpmpnt envisaged to develop symmetric systems utiliQqntc of electrodes based on electronic cond ~ c ~ u ~ polymers, in organic medium, of which one of the electrodes would undergo a doping of type "p", so that the other would be subjected to a doping of type "n", it is again a ph ~ nomane pseudo-capacitance, since we are working not on the surface, but in the volume of m ~ t ~ riqll of electrode.

Cepen ~ qnt the coupling of the batteries with components of puicsq-nce nécçsc ~ t to use a clc., lrollique de p ~ s ~ nce expensive. On the other hand, it is possible to envisage the use of polymers redox solvents to directly introduce this functionality into batteries. Indeed, .
suppose that the polymer electrolyte composing the cathode is replaced by a redox polymer solvating. During a call of p ~ liQ-Q ~ r ~ e important, the kinetics of the redox polymer being faster than that of the m ~ n ~ l ~ insertion, we reduce eQ ~ QentiPll ~ m ~ nt the redox polymer. As long as the potential of the m ~ t ~ n ~ l ~ insertion is ~ u ~ linker to that of the redox polymer in the reduced state, when the dem ~ n ~ e of puiQs ~ nce stops the insertion material re-oxidizes the redox polymer, and it is again available as a reserve of p ~ -; c5 ~ ce in the b ~ tPrie. This concept is summarized in Figure 2.41, in ut ~ Q Int the example of a cathode composed of m ~ l ~ nge of poly (benzodiimide-ethylene co-oxide), carbon, and v ~ n ~ m oxide Cathode in Control Control Kinetic pseudo-equilibrium thermody "alr,: ~ e App ~ 3 n ~ lon ECath = EMI

ECath = PPE / ~ 5 ECath = EMI ~ D.

power stationary slalionnaire time o O o O Li + r ~ O
Y N--> - N ~ EMI> PPE ~ N--- Li yVOx Li yVOx Li y + ~ VOx Figure 2.41: Principle of using a redox polymer as a power reserve in a battery.

In order to better define the orders of magnitude, suppose that we are interested in a useful battery a cathode with a capacity of 5 C / cm2, consisting of a volume fraction of 40% in oxide of v ~ n ~ inm, 1'0% by volume of carbon, and a redox polymer, e ~ l ~ se., l ~ nt 60% of the volume of the electrode. Sarh ~ nt that we insert 0.6 Li per atom of v ~ n ~ lm ~ and conn ~ i ~ s ~ nt the density and the molar mass of each of these m ~ t ~ ri ~ llx, Table 2.11 gives the thickness and weight per cm2 of battery film, for s ~ lnc comprising lithium (Li) in excess relative to the cap ~ i ~ of the cathode (3 times), electrolyte (l ~ lec), cathode, and coll ~ cte-lrs of aluminum current (Al).

, Table 2.11 Weight and surface area of the various co, -l ~ osa "ts of a battery film.
Material ~ o Volume Weight (mg / cm2) thickness (llm) V ~ x (5 C / cm2) 40 7.85 23.4 Polymer 10 3.5 29.2 Carbon 50 1.16 5.8 Al / Li (3x) / Elec (30 ~ 1) / Cathode / Al (8 ~) mbatt = 21.5mg / cm2 ebatt = 124.6 ~ 1 Such a confi ~ l ~ ation coll ~ corresponds to 3.5 mg of redox polymer per cm2 of battery film The study will be limited to poly (benzodiimide-ethylene co-oxide). In this weight, the salt of LiTFSI assumed in the present case at a concentration O / Li = 30/1. Under these conditions, it is possible to determine the density of mass and volume energy provided by the polyimide, such as this is illustrated in Figure 2.42. This calculation is Pffectllé in c ~ ncidér ~ nt the two electrons of the benzodiimide, and in assuming that the average potential for use of this rn ~ t ~ is 2 Volts. So if we are interested a polyimide consisting of a POE di ~ min ~ s with a mass of 600, we have a density of energy # 20Wh / kg of battery film, in addition to that of the insertion material of 160Wh / kg. he is possible to estimate the energy and the pui ~ s ~ nr, e at 60% of this value for a complete system of battery, i.e. ~ 12 Wh / kg and 100 W / kg. Using the hypothesis of a 100 kW puicc ~ nce for an electric vehicle, and 500kg on-board batteries, this corresponds to a reserve of power ~ 360 s, which is entirely compatible with the time of an acceleration (~ 1 min).
. ~, I. I.
~ Wh / l 40 - ~ _ ~~ \
a ~ ~

c 20 -~,,. Wh / lcg O ~ I ~ I. I, Mass of diamined POE
Figure 2.42: Density of energy supplied by the poly.;) .: ~ c ~ ") ~ osanl the cathode of the battery film.
This principle is only viable if the redox polymer is capable of performing 50,000 to 100,000 cycles charge / discharge, while retaining the cyclability of the insertion m ~ t ~ -ri ~ l. This assumption is not meaningless. Indeed, during a call of ~ nce important, the potential of the cathode can suffics ~ P ~ minl) er to reach the stability limit of the insertion m ~ tkri ~ ll. For example vanadium oxide degrades when the potential of the cathode becomes less than ~ 1.5 Volts.
On the other hand, in the hypothesis where the redox polymer absorbs the peak of pllics ~ nce ~ the potential of the el ~; trode remains at values compatible with the m ~ t ~ ri ~ u insertion. The v ~ tion of this princess . ~.
dt ~ pqc ~ c ~ tlu within the framework of the studies within our reach, we cont ~ ntt ~ s to assess the cyclability and the p ~.; cc ~ l ~ tt ~ e ~ tcce ~: ble of a battery (Cf Annex) utilitt ~ qnt the copolymer obtained by azeotropy from Jerr; ~ ED-900 and dianhydride of bte- ~ tt7 ~ ie (B / J-900), as matt ~ r ~ cathode. So, t the cathode of the battery tested contains 3.4 mg / cm2 of polyimide, a value close to that envisaged prt ~ redemmt ~ nt which colltt ~, lays at a capacilt ~ of 0.57 C / cm2.

Figure 2.43 shows the cycling result for a current density of 30tuA / cm2 of this drums. As shown in this figure, the entire capacity of the material is ~ ccessihle to the first decl ~ ge, but it decreases rapidly in the first ten cycles to stabilize by the following tt- 80% of the initial cztp ~ citt ~. It is likely that this loss of ca ~ acile is related to the deg ~ d ~ tion a part of the electroactive functions in the reduced state, by the lithium hydroxide formed by reaction residual water on the surface of the lithium. In addition, the coulombic yield expressed by the ratio of the recharge capacity over that in discharge (C / D) is one for the majority of cycles, which indicate the ~ losence of ph ~ nom ~ m ~ s parasites during recharging, and in particular of den ~ ri ~ çc 12 0 ~ 1 1, 2 1 oo ~ I ~ IJ ~ I ~) ~ L ~ nJ ll ll ll l ~ JJ ~ 1 ~ _ Power test 3 80- ~ 0.8 . ~ q 60 - Ic = 6011A / cm '~ - 0.6 c ~
Ic = 3011A / c m2 ~
4 0 - Id = 301lA / cm2 Id = 60 ~ lA / cm2 ~ 0 4 I Umin = 1, SV
20 ~ ¦umax = 2 ~ 5v .- 0.2 OIIIIII o 0 1 o 20 30 40 50 60 70 N ~, II, r ~ of cycles Figure 2.43: Battery cycling at 30 ~ LA / crn2.
The capacity being perfectly stabilized after sixty cycles, it was possible to carry out a ~ nce on this battery by regularly increasing the discharge current from 15 to 3840 IlA / cm2. The charging current is chosen at half the value of the discharging current up to 120 ILA / cm2, then set at 120 ~ LA / cm2 thereafter, to guarantee efficient recharging of the c ~ thocle after a die, the quick d ~ ge.

Figure 2.44 ~ pr thus the fraction of the available capacity as a function of the density of current, ~ ull ~ lle ~ lt says p ~ liss ~ nce dçm ~ ndée, l ~ Çélellcée at a char ~ ity of 100% after 59 cycles (Csg) for convenience 11 is au ~ ssi indicated the discharge regime in Cltd, which actually expresses the time in hours (td) which coll ~, spondrait, for a given current, to the discharge of the battery, in assuming use of 100% of the capa. ; l ~

o I ~ 1 9412 ~ 7 120 ~ 2.2 100 ~ C / 4 ~ 2.1 ~ - C / 2 ~ 80 f ~ C - ~ 2 - ~ \ -._ - ~ C ~ D
._ 60 ~ 4C ~ _ ~ 1.9-- 8C ~
40 _ 16C \ - ~ --c 1.8 -rL ~ \
2 0 - 32C - 1, 7 -o IIIIII 1 1.6 o 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 o 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 Current density (mA / cm2) Current density (mAlcm2) Figure 2.44: Influence of the discharge regime Figure 2.45: Influence of the discharge regime surb capacity of the cathode, I ~, Sf ~ ~ Se has C59 discharge on the p. ~ lenliel means of the cathode.

The average potential, calculated by integrating the discharge curve, is given on the Figure 2.45. This potential evolving in a relatively linear fashion with the current density up to 960 IlA / cm2, we can deduce an equivalent ohmic resis ~ nce # 350 Ohm.cm2. This value is relatively high, but it should be remembered that the battery uses an electrolyte approximately ten times thicker than that which would be used in an optimized system.

Figure 2.46 allows to assess the hysteresis between the potential during recharging relatively to that of ~ lllPillé in discharge for the 59th cycle of the battery. It follows that for a slow discharge and charge regime (30 ~ lA / cm2), the recharge potential is only higher # 50 mV to that in landfill, which is after all relalivelllent weak.
2.8 1, I
2, 6 - Cycle N ~ 59 _ 2.4 ~ Id = lc = 30 ~ lA / cm2 2, 2 ~
~ 2- ~ ~ _ _ uJ 1, 8--1.6-1.40- 20 40 60 80 100 %Use Figure 2.46: D ~ cl) aryd and charge i "lensi ~ '~ eu at 30 ~ / crri2 from B / J-900 to 59 ~ me cycle.

2 1,941 27 -Figure 2.47 gives the decha, ~, es curves of the battery for the different currents (indicated in ~ A / cm2) used during the pniss test ~ nce It is it, t ~ ssant to conct ~ ter that the loss of capacity is çcoentiell.ompnt due to the clensi ~ me red ~ lction of ~ mo ~ 1iimi (3rd, which translates into less kinetics of the reaction relative to the pl ~ ", iè, t; ré ~ uction of the polyimide.

3,840 1,920,960 %Use Figure 2.47: Influence of the current density (in l ~ A / cn ~) on the discharge potential.

It is common practice to characterize an energy system by plotting on a scale logarithmic, the power density as a function of the energy density. In other words, this , epr ~ sel-t ~ tion given on figure 2.48, called Ragone curve, makes it possible to highlight the kinetic limits of battery operation. The establishment of this curve assumes to make hypotheses on the geometry of the system, which correspond in the present case to a thickness of 86 µm, and a weight of 12 mg per cm2 of battery film, including lithium, the electrolyte, the cathode, and two aluminum current collectors. Calculation of energy density takes into account the average discharge potential of the battery for a given current density.

103 '''''''' I
~ e (AI) = 2x811m = 1 611m ~
3 ~ 280W / I _ ~ e (Li) = 1 0 ~ 1m 200W / kg ~ e (Elec) = 3011m "1 o2 ~ e (Cath) = 30) 1m ~ t ~ e = 8611m . ~ ~ -~ 1 01 ~
._ o,,. ..... I,. . .....

Energy density (Wh / l) Figure 2.48: Ragone curve of the studied battery.

The electrolyte which we assume with a thickness of 30 μm for the calculation is in reality of a thickness ~ 200 to 300 ~ Lm in the stu ~ e battery. Consequently, the density of power ~ nce evolving at the inverse of the square of the thickness of ~ s ~ c, the pui.cs ~ nce calculated is an underestimate ~ tion of the puiSs ~ nce which would be obtained with a thin electrolyte. In addition, for a given penetration, the density of available energy is é ~ le.ment undervalued because of the pol ~ ris ~ tior ~ Anyway, this test proves that it is possible to obtain peaks ~ l ~ these i ~ pollutants ~ 1 kW / l for a density of energy ~ lOWhA, which is completely co ... p ~ lible with the ~ app ~; we are considering.

The other essential parameter to be reconciled is the cyclability of these materials for a load regime and rapid discharge in relation to the role ~ csign ~ e redox polymers in the b ~ tterie- Figure 2.49 shows the first cycles obtained for a current density of 500 ~ A / cm2, which corresponds approximately to a ~ n ~ e of 100 Wh / l and an energy density of 20 Wh / l. The cdpaciled in discharge depends on the recharging potential of the battery, the thickness of the electrolyte film requires slightly increasing the recharge potential to limit the effect of the gradients co ~ nt ~ tiOns. n is quite illt ~. ~ ssdnt of collar ~ t ~ r e ~ cçll ~ ntP. cyclability of the redox polymer, its c ~ p ~ c; l ~ d '~ ltili.c ~ tion remaining stable for more than 300 charge / drop cycles; as well as ~ hsP.nre of ~ P.nl1rites when recharging. This ~ hspnre of ~ len ~ ritec POUIl ~ could be put on the account of the low cycled lithium capacity, about 0.25 C / cm2, which corresponds to a thickness of ~ 0.3 ~ m / cm2, with regard to the thickness of the electrolyte film. Based on experience with other battery tests, this effect should rather be attributed to the homogeneity of the cathode resulting ~ nt from the macromolecular nature of cathode material, which guarantees a homogeneous dissolution and deposit of the lithillm 1 2 0 ~ 1, 2 100 - ~: 00 ~ 00 0 0 o ~ to o O ~ O 1 c 80 _ ¦ Id = 500 ~ lA / cm2 - 0.8 ~ I Ic = 500 ~ lA / cm2 .tn 60 - ~ ~ f 0.6 c ~
40 _Umax = 2.6V ¦ Umax = 2.8V ¦ Umax = 2.6V o 4 - Umin = 1.5V
20-- - 0.2 OIIIIII o 1 oo 1 50 200 250 300 350 400 Number of cycles Figure 2.49: Cycling at 500JJA / cn ~ of the battery,% Use r ~ f ~ r ~ nc ~ at ~ h ~ at Cs ~
The test continued at a current density of 1 mA / cm2, approximately at a pniss ~ nce of 200 W / l and an energy density of 15 Wh / l. To simplify, capacity is a again normal to that obtained after 59 charge / discharge cycles. The result obtained in these con ~ ition ~ is given in Figure 2.50.

,,.
~ 161 2194 ~ 27 60 1 1 1 1 1 1.2 5 ~ ~ 1 ~ ~~ ~ V ~ V - 1 0 4 0 ~ O, 8 , ¦Ic = lmA / cm2 ~ _ ~ - 0.6--20 - Id = lmA / cm '~, _ 0 4 - I Umin = 1.5V
10 - IU max = 3V - 0, 2 O lllll O

Number of cycles (in thousands) Figure 2.50: ~ yclage at 1 mA / cm2 of the battery,% Usage ~ rér ~ nce at C69.
As we can see, after - 60,000 charge / discharge cycles, the battery delivers still ~ 30% of the capacity obtained at the start of the cycling test, for this discharge regime of 1 mA / cm2. L '- tili.c ~ tion of the battery capacity for some discharges carried out at lS ~ LA / cm2 during this cycling is given in table 2.12. It is clear from these results that the decrease observed capacity is not linked for esse ~ tiel to a degradation of the redox polymer, but probably a ~ lgment ~ tion of the r ~ sict ~ nce interface between the polymer electrolyte and lithium.
Table 2.12 Eissai of discharge at low current (15 ~ Vcm2) of the battery during cycling at 1 mA / cm2.
Number of cycles 34,761 51,231 57,565 % Uttl. 15 ~ A / cm2 76 73 67 ft r ~ ncé at 100% for the ~; t é at the 59th cycle.
This is confirmed by the decrease in potential 2 means obtained during the discharge of the battery at Umin = 1.6VlUmax = 3V
cycling, as shown in Figure 2.51, 1.9 ~ Ic = ld = 1mA / cm2_ this decreasing - 250 mV after 60,000 cycles at a regime of 1 mA / cm2, which corresponds to an o_ resistance of S00 Ohm.cm2, which corresponds to t-- 1 ~ 8 probably for the most part, to the evolution of in ~ rfa ~ e between lithium and the polymer electrolyte E 1, 7 -In addition, according to the reslllt ~ c of table xx, the loss 1, 6 -capacity after ~ 57,000 cycles at a speed of 1mA / cm2 discharge is ~ 35%, i.e. a loss of 1.5 lllll capacity -6.10-4% per cycle, This result is all at o 1 o 20 30 40 50 60 ", ~ Jo." Bre of cycles (in thousands) falt remarkable, especially considering that 1l s aglt there Figure 2.51 ~ evolution of the pot ~ i "iel iel of a laboratory test for which the different brs of b decharye of the battery ~ 1 mA / cm2.

21 9 ~ 1 ~ 7 parameters are not controlled at best, such as for example the drying of m ~ t ~, ri ~ u ~, the state of surface of the lithinm, which it is well known that they notably influence the performance of élé ~ ocl ~ liques systems integrating them, and part ~; uli ~. ~, .llenl on their lifespan.

After the cycling test at a discharge rate of 1 mA / cm2, cycling continued at a slow discharge regime of 30 ILAlcm2, the result is given in Figure 2.52. Even if the c ~ u ~
slightly decreases during the first twenty cycles, it then stabilizes at ~ 60% of the capacity at S9 ~ me cycle until 64 ~ me cycle. Decreasing the discharge current to 15 ~ lA / cm2 makes it possible to further improve the use of the cathode z 10%.
1 00 ~ 1.2 8 0 e ~ rl J ~ ~ ~ ml ~,. . l. ~
~ 60 ~ 0.8 - ~ o 4 ~ ~ I ic = ld = 30 ~ A / cm ¦ Ic = ld = 15 ~ A / cm '0.6 20- ¦Uminx = li56V ~ 0 ~ 4 0 1 1 1 1 1 1 0.2 Number of cycles Figure 2.52: Low current cycling test after 57500 cycles,% U ~ .dlion, referenced at Csg.
Figure 2 ~ 53 allows vi.c- ~ li.cer the low current discharge curves of the battery during cycling ~ Apart from the loss of capacity, there is no visual clue which would indicate a major degradation of the cathode material, even after z 57,000 charge / discharge cycles ~
~ 3 - Ic = ld = 30 ~ Ucm2 (59.57505) J 2.5 ~ Ic = ld = 15 ~ Vcm2 (34761,51231,57565) ~ 1.5 c ~ l , ~ u) ~

. %Use Figure 2.53: Low current cycling test after 57500 cycles,% Usage ~ rt7nc ~ at C59.

._ To finish with this cycling test, Figure 2.54 gives the evolution of the energy density and the cumulative energy density for all cycles carried out. After ~ 60,000 cycles, the density residual energy, for a discharge regime of 1 mA / cm2, is still ~ 4 Wh / l. The element more interesting to note is the value of the cumulative energy ~ 450 kWh / l. Comparatively, a elemPnt of lithium battery, u tilis ~ nt a m ~ t ~ .ri ~ u insertion as cathode, rarely performs more 1000 charge / discharge cycles with an average energy density of 100 Wh / l, i.e. a density cumulative energy of 100 kWh / l, it should be noted that this col. ~ ond calculation at a high ectim ~ tion of pe ~ ro ~ ncPs of such a b ~ tteriP .. In these con ~ itionc ~ plése "the battery used ~ nt a redox polymer stores 4.5 times more energy than a lithium battery made from insertion material.
1 0 0 ~ 5 0 0 , 1 0 _ '/ ~ 300 ~
- 200 ~.
4Wh / ll - 100 o Number of cycles (in thousands) Figure 2.54: Energy density and cumulative energy density of the battery.

The performance of the lithium electrode of a battery is generally defined by its factor of merit, expressed by the ratio of the amount of cumulative charge. during cycling relative to the charge equivalent to the amount of lithium initi ~ lemen ~ present in the b ~ t ~ rie In the present case, this calculation does not make sense, the lithium electrode being thick ~ 100 llm which corresponds to an excess of lithium on the order of 100. It is more interesting to define the merit factor of redox polymer which is particularly high, since of a value ~ 12000, relatively to the capacity of the first battery discharge.

This result validates the hypothesis according to which the electroactive species exict ~ n ~ in neutral form or anionic are compatible with the chemistry specific to lithium batteries and fully justify ~
interest and study of this materials class.

, Therefore, it is possible to consider developing batteries of which the cathode would be composed only mel ~ nge of a polyimide with carbon grains, to achieve either batteries of pl ~ iss ~ nce ~ stationary batteries for the management of an electrical network, or batteries rescue for example.

i.

For example, Figure 2.55 shows the density energy density of a battery ~ ltilic ~ nt un poly (benzodiimide-ethylene co-oxide) as n ~ tee uq-- of cathode, assuming a thickness of fixed cathode of 5011m, electrolyte of 20 ~ Lm, aluminum collectors of 1611m, and a lithium thickness corresponding to three times the excess relative to the cqp ~ city of the cathode. Of more, we consider that the cathode works on two electrons with an average potential of 2 Volts.

1 2 0 - \
~ "1 0 0 - \ -c 80--~ 7 ~

._ Jeffamine mass Figure 2.55: Density of volume energy as a function of the mass of Jeffamine.
The calculation is performed for a mass of Jeffamine between 400 and 1000, a mass of 400 also making it possible to obtain a polymer soluble in organic solvents, such as acetone, acetonitrile, or THF for example, and thus obtain homogeneous cathodes. The result is an approximation, close to reality, since the presence of carbon is not taken into account in the composite, nor of the mass of lithium salt dissolved in the polyimide.

It is thus possible to obtain a volume energy density of 100 Wh / l, for a battery film, using a Jeffamine of mass -540. In this case, the fraction of solvating segments still represents 74% by weight of the material, and 83% of its volume fraction, which allows to consider obtaining an ionic conductivity close to that obtained for POE in a state amorphous. This energy density is certainly two times lower than that for a battery using an insertion material, but this disadvantage may be offset by the service life of the drums. In fact, the interest of such a battery is dependent on the intended application.

In particular, it is difficult to conceive of the production of an electric vehicle with such a battery, the energy density being incllffic ~ nte to guarantee ~ -tonomy appreciated ~ q ~ ble ~ By cons, in the case of a hybrid vehicle, the energy requirement supplied by the b ~ tteries being ten times less (Cf II-3 ~ 1, table 2.10), and the pnics ~ nce l- ~ Sce ~ s ~ it; more important, it is possible that such batteries p. ~ 3e.l ~
a very special interest. Finally, an impol lifespan ~ - this is the parameter p,; nr; p ~ ql ~ to consider for stationary battery systems, such as inverters, or storage power plants ~ - 21 941 27 say ~, ~, s ~ es used for the storage of current peaks of electrical networks, for example, for which it makes more sense to r ~ i ~ onn.o, r in terms of cumulative energy.

21 941 ~ 1 II-3-5 Applications to electrochromic glazing:
Polyin ~ ide-Polyether Mixed Conductors As Switchable Materials For Electrochromic Devices i C. Michot, D. Baril and M. Armand.

Laboratoire ~ d'lonique et Ele ~ chi ~ ue d ~ Solid ENSEEG Ins ~ inlt Na ~ ional Polytechnique de Grenoble Domaine Universitaire, BP 75, 38402 Saint-Mar ~ in d'Hères, France.
1 - Introduction:
Electrochromism is under active scrutiny by both the scientific and industrial communities. Tea principle of ch ~ nging the coloration of a material by an elec ~ ... ic ~ l reaction was origin ~ lly studied for applications in displays for the watch industry tl], but extrapolation to the video r ~ erlce (~ 25 Hz renewal) soon appeared elusive. The main en ~ ph ~ cic is now on visible light and IR modnl ~ tion for windows in bnildingc and glare attenuation in rear view mirrors for automobiles tl-5] For the former application, the response time can be much longer and there is anyhow a compromise bel ~, n the thickness, thus conductance, of the ITO or similar conductor destined to ensure a uniform potential distribution across the whole surface and the tr ~ ncmi.ssion of visible light in the bleached state. While elegant all thin-film systems obtained using various deposition technologies (sputtering, CVD ...) have been shown to be feasible [7,8], many technical difficulties may arise when dealing with large surfaces. A plastic solid electrolyte is desirable for systems which then can be lamin ~ ted. Thoughts, the pursuit of high conductivities with gelled systems, ie a solvent thir ~ Pned by a small fraction of high polymer may still result in the long term to viscous flow and creep for systems operating in the vertical position.
As electrochromic materials, transition metal oxides have the favor of many research groups, especially WO3 due to its high coloration efficiency and (relative) stability at pHs <3 or in aprotic systems. This is in fact returning to the first m ~ tenal for which electrochromism was described t9].
Photochromism may however play a deleterious role when this semi-conductor is under illumination [10] Conjugated polymers offer in principle more opportunities for tuning the adsorption in the desired spectral domain and several, like poly (aniline) and poly (thiophene), are straightforwardly obtained as adherent films by electropolymerization [11] However, their cycle life is presently limited. A possible explanation for the lack of stability is the fragility of the positively charged moieties which are formed upon "p" doping and are very se "silive to nucleophiles.
basic species are created in the electrolyte by electrochemical side reactions, including hydrogen evolution from trace water which locally creates OH- speciP-s On the other hand, polyimides are widely used in the electronic industry for their thermal stability, in ~ ln ~ ling high Tg's and in ~ nl ~ ting plupellies, all p ~ pellies dependent upon the use of rigid aromatic subunits in the backbone. It came as a surprise when these m ~ teri ~ lc were reported to become electronically conducting upon electrochemic ~ l reduction, owing to the relatively large electron affinity of the imide group [12-14] There is however no eYten ~ ion of the conjugation beyond these centers, and the conductivity results from electron hoping ~ Iween neighboring moi ~ ptips ~ RPS; deS, the diffusion of the required charge-con ~ c ~ ting ionic species (cations) is excee-iingly slow in the ~ bsPnc e of a solvent acdng as swelling agent or p ~; c; 7f, ~. To O ~; GIllC thi ~ s riiffi ~ ulty, a new family of mixed-conduclivily co-polymer in which imide redox-active groups are separated by solvadng PEO blocks have been de ~ igne ~ (iiffering from the already described PEO-based nelwoll ~ bearing .

2194i27 "
hang redox groups like ferrocene and phenothi ~ ine [15]. In the following, the preparation, electr ~ hPmic ~ l and optica ~ p, ~ ies of these novel m ~ tPri ~ lS are des ~ ibe-l 2 ~ Experimental:
2.1 ~ Synth ~ sic:
The polymers were pl ~, pa ~ d by polycond ~ nQ ~ tion reaction b ~, ~ 2 ~ n ~ t_t ~ d ~ Aylic dianhydride of a, c ~ -diamino oligopolyethers with various aromatic bis (cyclic anhydrides). The later whose formula is depicted inFig. 1 wereobtained from commercialsources (Aldrich, ~ ~
Fluka), together with LiC104, with the highest available naph -'enetetracarboxylicdianhydride purity and were used as received. Samples of Li (CF3SO2) 2N (LiTFSI) were given by Hydro-Québec c ~
(Canada). ~ ~ O
O, O'-Bis (2-aminopropyl) polyethylene glycols:
perylene t ~ t ~ dcdll ~ A ~ dianhydride H2NCH (CH3) CH2 [0CH2CH2] nOCH2CH (CH3) NH2 3_ ~~
with central PEO sequence of l ~ IW 500, 800 and 1900 (JeffaminesZD ED 600, ED 900 & ED 2000 resp.) Hereafter referred as J-600, J-900 and J-2000 were a generous gift benZOpl ~ enOnet ~ lldcdll ~ uAylicdlanhydnde from Texaco-France. ~ _ ~
'Samples of O, O'-Bis (3-aminopropyl) poly (THF) were c 1 ~' ~ L ~, ~
simil ~ rly don ~ ted by BASF (~ w 750, 1100). Prior to the co polycondensation reaction, the oligomers were dehydrated Fig. 1: dcvel ~ ped fonmulae of the starting by bubbling anhydrous argon for two hours while kept at bisanhydrides used as precursors for the 80 C. The amino functionality numbers were obtained by pr ~ pdjdtion of poly;. ,, 'es The corres-acid-base titration in water. Solvents (HPLC or anhydrous B, N, P 8 BZO respectively.
grade) from SDS were kept on activated neutral alumina granules. All h ~ ndling of oxygen- or moisture-sensitive m ~ leri ~ lc was done in a dry box ( <lvpm ~ 2, H20).
2.2 - Polymer characterization:
The GPC analysis was performed on a Waters 590 GPC, through two lOOA UltrastyragelB ~
columns. A Netzsch STA 409 differential sc ~ nning calorimeter (DSC) was used to determine the glass transition temperatures Tg, and the m ~ l ~ ing points Tm. Thermograms were recorded at a rate of 10 ~ C.mn-1 in helium. Each sample was first quçn ~ hed to -100 ~ C and then heated to 150 ~ C, allowed to cool and at last heated again to 150 ~ C.
The thermal stability range was investig ~ t ~ od by heating the sample in air at the rate of 10 ~ C.mn-l from room Llllpe.a ~ ul ~ up to 400 ~ C.
The optical absorbance spectra were recorded on a Perkin-Elmer (Lambda 7) UV-visible s ~ ec ~ u ~
2.3-Ele.; Tloçl. ~ ..; c ~ l char ~.; 7 ~; on:
Conductivity ûf films samples were sandwiched bet ~ ns ~ inless-steel electrodes. AC conductivity measu G ... ents were carried out under dynamic va ~; uulll using a HP 4192A impedance analyzer, from room temperature up to 110 ~ C, over the rlG ~ lu ~ ncy range S Hz - 13 MHz .
The redox plupellies were tested by cyclovoltAmmet-y- using a computer-controlled microelectrode (0 either 25 or 125 ~ lm) set-up built in the laboratory with a resolution of 1 pA. The cell comprised the c ~ f ~; r ~ l chain:
Li / PE0-Li + TFSI- (C104-) / Pt microelectrode (TFSI- = (CF3S02) 2N -) -el) ~, ultra slow-scan vQ ~ y (MacPile ~ 19) was used with 2 cm2 button cells:
Li / PE0-Li + TFSI- / redox polymer / stAinless steel In both cases, the redox polymers were used in thick films (~ 50 ~ Lm). For the button cell ex ~. ;. ~ PntC, the theoretical capacity could be c ~ qrlculqted from the weight of the sample and, otherwise specified, 5% v / v carbon black was added.
No attempt was made to use electrolytes other than linear PE0 to reduce the operating temperature [15].
3 - Results and .liecns ~; on:
3.1 - Synthesis and characterization:
The formation of imide linkage from reaction of a primary amine group on a cyclic anhydride is known to proceed in two steps via an interrnerli ~ qte amic acid (Fig. 2).
O

H OH!
O + N ~ _ _ H20 + ~ l ~ r H ~ HY ~
OO
Fig. 2: reaction scheme for the formation of the imide linkage from a cyclic anhydride and a primary amine group.
In the case of the polyethers used as soft segment ~ s, the reaction of stoichiometric quantities of ~ IiAmine and dianhydride in a common solvent proceeds readily at room tempeli, l ,. ~ to the polyamic in ~ erme ~ iAte; cyclization is achieved chemically with the well known acetic anhydride / pyridine mixture. More simply, heating of the neat components at 200 ~ C achieves similar result. We also found recently that Dean-Stark azeotropic rlistillq, tion in toluene cleanly and rapidly yields the polymers from the simple mixture of the starting ingredientc In all cases, precipitation into diethyl ether from the reaction medium yields the solid polymers. pllrifieqtion can be $ imilArly accomplished by dissolution in dichloromçthAne or acetonitrile and pf ~ cip; ~ tion with ether. The appeq -, qnce and concict ~ nre of the materials varies widely depending upon polyether segment length, from waxy semi-crystalline mq ~ eriq1 (JçrrAt ~ e 2000, poly (FHF)) to amorphous and l ~ spa ~ e, -l (Jeffqmine 600 and 900). Similarly, the imide segment imposes its color (benzene: colorless; narht ~ len ~: light yellow-brown; perylene: dark red).
GPC of the materials in THF indicates molecular weight close to 2.104 and a broad distribution cpe. ~; ~ y ~ 2) as e ~ l) ected from a polycon ~ en ~ qtion reacdon.

21941 ~ 7 The DSC traces, with some shown in Fig. 3 indicate ~ 31O ~ T / at = 5 ~ Cmn ~
that all m ~~ s made from Jeffamine '~ 9 ED 600 or ~ ~ B / J 600ED 900 which are both molten at room leM ~ Iatu ~
yield amorphous polymers ~ ~ N / J- 900 e ~ hibiting well detect ~ lDle ~ - ~
Tg's. With Jeffamine0 ~ ~ ~ 30o ED 2000, an endothermic ~ P / J- 2000 event is detected at 30 ~ C, ~ ~ no reflecting the crystallinity of the starting materials.
These results are to be ex- '' B / PP ~ 400 pected when considering a st ~ tictir ~ l (butnon-random) 1Illllllllllllll llll ~ lllllll ~ ll llllll lllll lllll lllll distribution of crystallinity- -100 -50 o 50 100 150 breaking aromatic groups t ~ r "~ -e, dture along the PEO chains [17]. Fig. 3: DSC traces for some polyconden n polymers.
The poly (THF) samples showed a similar trend and PPO-co ~ ining polymers were completely amorphous -as expected-.
0.1 ~ Under helium, no significant weight loss is , ~ apparent up to 300 ~ C on thermogravimetric B-J900 f analysis, temperature beyond which the aliphatic polyether segm ~ onts decomposes.
0.05 ~
3.2 - Electrochemir ~ l characle ~ ion:
J In the neutral state the solvating power of the E 0 ~, ~ _ polyether segment is kept, as expected. All the r, materials prepared could form complexes with low lattice energy salts like LiCl04 or Li (CF3SO2) 2N.
Conductivities were found to be comparable with 005 _ \ II _ those of conventional amorphous polymer V ¦ electrolytes with ~ 10-5 S.cm-1 at or slightly J above room temperature. The melting point of the materials containing semi-crystalline J-2000 -0.1 segments was no longer visible at EO / Li = 8 to 12 1.6 1.8 2 2.2 2.4 ratio as seen on DSC traces.
Volts vs Li + / Li ~ All materials tested showed redox activity. Tea Fig. 4: sbw scan (~ i o9 ~ "", ~ t "~ scan of slow scan voltammogram for benzenetetracarboxylic acid di-imide co-Jeff ~ mine 900 (B-benzene t ~ lla ~ .ln, Ayllc-Jeffamme ED 900 polymer; scan rate = 84 mV / h, T = 80OC. J 900) is shown on Fig. 4; two well defined reversible l-electron reduction / oxidation waves are app ~, nt on the forward and reverse scans. The quantity of charge passed co.l ~, sponds to the entire theoretical capacity, suggesting an effirien ~ clccl. ~ n hopping mech ~ l-is ... between the relatively remote sites.
N ~ pht ~ lene and perylene-based polymers behave simil ~ rly, with a ~ nr ~ ency for the two l-electron waves to merge into a broader l-electron one, especi ~ lly appa ~ nt for the highly delocalized perylene moiety. This is shown on the CV scans obtained on Pt microelectrode on Pig. 5. It is notewo ~ y that the much faster scans of the microelectrode may also result in smaller peak sep ~; on This is to be brought together with the example of caroviologenes [18] where the two pyri ~ inillm rings are separated by conjugated - (CH = CH) o- spacers, showing a t ~ n (lency low ~ ds displ., pol ~ ionation of the intenne ~ i ~ te radical species into neutral and di ~ tionic forms with increasing conjugation length not. Perylene does howe.er sustain larger current il.t ~ .C; I; l'c oq,.,., ~
~ NJ 900 PJ 900 l ~ \

-0.3 ~ '~' ~ '~''''' 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2 3.4 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2 E / V vs. Li + / Li ~
Fig. 5: microele ~, t ,. de cyclovoltammetry traces using Pt microelecl, ode (0 = 25 llm) for naphtalene and perylene - Jeffamine 900 copoly -.- t: - ~ (a: NJ 900; b: PJ 900); T = 80 oc, LiC104, O / Li = 9/1.
PPO or Poly (THF) -based mate-rials equally showed redox activity 8 at comparable potentials, with a tendency for peaks to become 6.
broader. This behavior is tenta-: / ~
tively attributed to the lower ionic 4 - / ~ --_ conductivity of the base polyether. ~ z: /, ~
Besides, their weaker solvating 3 - ~ /
propel lies, as compared with PEO, c O f may result in saltdepletion to the,: / ¦
advantage of PEO when the latter ~ -2. ~
is used as electrolyte. Similarly, 4 - / ¦ _ the benzophenone-based polymer: / ¦
where the conjugation of the redox -6. L_ I ~
molecule is less pronounced than for the others, is reduced at less -8 negative potentials and the scans 1 ~ 5 2 2.5 3 3.5 showmediocrereversibility. E vS. Li / Li (Volts), ~. . . Fig. 6: slow scan (MacPile ~ E9) voltammetry traces of ben ~ ene tetra-Strong ln lc ~ tlon for the eY ~ s ~ llce carboxylic dianhydride - Jeffamine 900 copolymer without carbon;
of a mixed conductivity, ie the T = 80 ~ C, LiTFSI, O / Li = 20/1, scan rate = 10 mWh.
mobility of both ions and electrons .

in the reduced states is given when the volt ~ mmetry scans are performed in the absence of carbon black additive; while the shape of the traces, as shown in Fig. 6, are distorted, the reduction being observed at more negadve potentials with an abrupt rise in current corresponding to the onset of electronic con ~ luc!; vily, reversibility and total av ~ ility of the redox sites spread over the 4511m of the film, is m ~ int ~ in ~ A

20 - '''' I '''' I '''' I '''' We found interesting the result from the a 'electrochemical screening of a 15- b,; ~ / ~ copolymer in which three of the aromatic moieties having shown to 10 - behave reversibly (B, N & P) were c ~ / ~ _ co-ir, col ~, o.dted in the same backbone of J-900 polyether as shown in Fig 7.
~ ~ Again, the electrochemical activity of ~ 5 ~ each component of the copolymer is - c \ / preserved, the first wave being -10. \ f \ / - attributed to P and N (first electron a, b a ') the second (b, b') to a combination 2 2 3 of the N second electron and B first ~ ~ 5. 3-5 electron. The last reduction step is in c, Volts vs Li + / Ll ~ c 'for the B moieties. Electron mediat-Fig. 7: Slowscan (MacFi'e ~) v ~ "-"", ~ ytracesofbenzene, ion throughout the system obviously naphthalene and perylene tetracarboxylic dianhydride- occurs, as in such copolymer each Jeffamine 900 copolymers; T - 80 ~ C, LiTFSI, individual entity B, N, P, is now highly diluted in the PEO matrlx.
3.3 - Optical plupellies:
In the reduced state, all polyimides showed intense color changes. The water solubility of the longer chains PEO allowed a simple color test using sodium dithionite as reducing agent in carbonate-buffered solution. The results are summarized in table l.
aromatic ring neutral state colorless yellow-brown ceep red reduced state greenish blue deep purple-brown ~ eep purple Table 1: color ~; l ~ nges induced upon S2O42- re ~ lu ~ - ~ n of water solution of poly :. "~ es The UV / visible absol ~ lion spectra for ben ~ ne and n ~ rht ~ ne derivatives in water solution are shown in Fig. 8. The concentration was chosen to give the equivalent of a ~ 1.2 llm thick layer of dry polymer, a reasonable value for an electrochromic device.
The molar absoll, allces were c ~ tc ~ ted in the visible region (~ g = 26500 mole-llcm-l at 545 nm;
f ~ N = 15200 mole ~ llcm ~ l at 545 nm). In addition, the colors obtained by combining the two aromatic molecules were found to be compl ~ mPnt ~ ry: either a Illib ~ lUle of the B and N homopolymers, or their copolymers resulted in a neutral brown hue.

.
2 ~ 5 1 ~ 5 ._ 1 ' 0 ~ 5 ~
gold ~~

~ Wave number (nm) hg. 8: abso, Ldnces vs. Iight wave length for benzene and na ~ l 'na derivatives of Jeffamine 900. Data were r ~ o.Jed in water solution at a conc ~ rltldtion of 0.1 mg.cm-3 using excess Na2S2O4 as reducing agent with addition of Na2CO3 as buffer.
4- Conclusions:
The polyimides described here are members of a new and broad family of redox-active polymers.
Both the intrinsic properties of the starting polyether (ion conduction) and of the bis (imide) moieties (redox center) are kept in the block a ~ hilr.; l. ~ c; obtained from polycon ~ len.c ~ ti ~ n All the redox centers in such materials are readily acceccihle irrespective of the polyether spacer length, suggesting both a fast electron-exchange mech ~ nism between anion radicals and a tendency for self ~ cspmhly (ct ~ lring) of the planar aromatic groups. This type of chemistry allows for easy manipulation of the polymers, including simple copolymers obtained by from mixtures of either the anhydrides or the starting amines. Similarly, groups allowing for further crosclinkin ~ can be incorporated.
Though no test on actual windows were made, the relatively high ~ values should translate into good coloring efficiencies. The stability of the radical anions formed during reductdon was found excellent, as shown in battery tests to be reported elsewhere. Under similar conditions, polymers incorporating viologen moietdes performed poorly.
These materials appears as promising c: ~ n ~ es for electrochromic devices, the ease of casdng thin films on transparent conducting glass or plastdc substrate being an obvious advantage. Work is in progress for redox polymers showing redox activity upon oxi (~ ti ~ n.

Acknowledgments:
. All the authors are indebted to Hydro-Quebec for fin ~ nci ~ l support of this work and one of us (CM) for partial fellowship from CNRS. We are grateful to F. Dervaux from Texaco-France for the Jeff ~ mine samples and useful information relative to these m ~ ri ~ ls. We thank P. Mailley and L. Burel for l ~ cording the absol ~ ce spectra.

~ 1,941 27 The new developed anions introduced in the docu ~, nt pr ~ cited are stable anions of faiblcs b ~ Ci ~ it ~ s perfluor ~ s or not whose cost is a priori less than those currently udlisé ~.
The ~ locun ~ ent dc thesis makes r ~ f ~, cncc to several family ~ of local ~ anions ~ little basic described below.

Family of anions:
a) The ~ anions based on various substitution chemistry of ~ perfluorom ~ thanesulfonamide (RFS02NH2), or ~ possibly polyalkoxysulfor ~ nide (RFCH20SO ~ NH2), an example of which is dc born above Jessvus;
RFS ~ 2NH2 ~ Base I YSO2X 3 RFSO2NHSO2Y
~ R ~ ~ p Cscntdnt generally ~ g ~ u ~, c.nent pe.lluor ~ of the type (cn ~ 2n + l) ~
~ X representing an appropriate electrofuge (halogen, imid ~ ole. ..,) ~ Y can ~ be a function group of any kind whatsoever and more particularly ~ rc.lJellt - a ~, lo., pe ~ n ~ organic alkyl or aUcenyl, aryl, aL ~ yl-aryl or alkenyl-aryl, containing or not subst; ~ ts OXA OR aza, slmplc or perhAlogén6. As eA ~ plc pa ~ lculier let us quote the ~ déri ~ és obtained from haloO ~ sulfonyl nules ~ poly ~ enc ~
- halogen - A pse ~ do ~ ogene, ie a radical el ~ ih. P ~ dcte ~ -l monovalent such as OCP3 - a ~ vupe''lcnt alkoxy, ~ vinyloxy or dialkylamino, diQlkèny1Amino.
- a ~ Juycnlc, nt chir ~ l.
The ~ g- ~ upc- ~ e ~ s containing unsaturations such as for example styr ~ nes, actylnte ~, ether ~
~ inylics, allyles, vinyl ~,.,. are pardculi ~ r ~ nlo ~ t adapt ~ s to obtain polyéIectrolytes or to lcurs incG ~ .s to a network n Rr ~ lolecular by any chemical bonding mode pc. ~ ant to form a network ~, nol ~ cular.

-One can also conci ~ -er chemistry ~ deri ~ r ~ nt of 1 ~ re ~ c ~ ion of perfluoroslllfinate salts as for example the pc.lluor ~ sodium tfinates (RFS02Na) on leg chlomres dc sulfon ~ mide of the type YSOzNHCl. Y being defined as com ~ e prtScé ~ nt.
This chemistry extends from hcto to that of aut ~ c ~ flnion ~ nucleophileg pcrfluor ~ s oo non, the malononitrile (CH2 (CN) 2) or cy ~ n ~ m; de (H2NCN) are examples ~ representative of prvduits as described Ci ~ 5S ~, Y se ~ tSfin issant with the same general ~ as p ~ c ~ den ~ -nent.
YSO2CHC (CN) 2 YS02NHCN YCOCH (CN) 2 YCONHCN
b) The cyclic anio ~ s derived from the family of barbitulic acids of general formula:

Yt ~ 'Z''' N, Y2 O ~ c ~ x ~ '' o ~ Z represents ~ feels ~ nt a ~ grouQel - ent carbonyl (-CO-) or sulfonyl (-SO2) -.
~ X r ~ pr ~ Sc ~ nt a group -CH (RW) - or a group -NH-. The group R can be ~ nothing, a carbon ~, rle or a suIfonyle and W d ~ f ~ nissdnt itself co ~ me - an organic group ~ Ikyle or alkenyl, aryl, alkyl-aryl or alkenyl-aryl, containing or not substitutes oxa or aza, simple o ~ l perhalogenated.
- halogen - a pse ~ oh ~ lQgene, ie an éleclroat radical ~ monov reactor ~ lellt such as CN, NO2, SCN, OCF3, SCE'3, ...
- a ~, ~ or ~ l ~ slow alkox ~ Inyloxy or dialkylamino, dialkénylamino.
~ Yl, Y2 identical or different represe ~ tfln ~ essentially a gl ~ up orgAniquo, alkyl or alkenyl aLlcyl-aryle, containing or not substitutants oxa or aza, simplc or perhalog ~ born.
Let us cite more particularly the CF3C ~ 12 groups, or the ~ groupen-ent ~ pol ~ mérisables or crosslinkable allyles. vinyl5, CH ~~ CH20 (CH2) n-c) Anions h ~ t ~ .oc ~ clicks of general formula ~

~ 1 ~ 2 Z5 ~ z3 Z representing either A nitrogen atom ~ N, goit a radical ~ CY, a group-l, ent ~ S ~ = O) Q or = PQ'Q ":

; .:

-Q, Q'and Q "identical or different ~ e ~ resentant:
- A ~ srollpcn ~ ent organic alkyl or alkenyl, aryl, alkyl-aryl or alkenyl-aryl, co ~ lt ~ -n ~ nt or not substinl ~ n ~ s oxa or aza, simple or perhalogenated, in particular pçrfll ~ rp-type ore ~
~ prCsu ~ t - a gro ~ nel t Q
- a halogen P, ~ 1, Br - a pseudo-halogen, that is to say a rfldical <~ lec ~ oat ~ .ac ~ r monovalent such as CN, SCN, N3, CE'3, OCP3, 0CnE ~ 2n ~ 1d OC2E74H.
SC ~ 3, SCnP2n + 1, SC2F4H. ...
- a ~ 5 ~ uupe.n ~ nt XC ~ or XSO2 in which X, t; p- ~ is either a fluorine atom, a groupemellt Q, a gro ~, pe.l. en ~ alkoxy, vinyloxy or dialkylamino, diaL ~ cènyl an ~ o.
The ~ -uupeQ ~ ent Q or X can be incGryo ~ és to a polymer frame, in particular by opening of doubk ~ on <contained in X or Q, either by any other chemical bonding mode pc ~ .l.etl ~ nt the f ~ ~ ion of a r ~ se ~ u ~ l ~ fi., - oll) c ~ léc ~ .laire.
Dcux ~ 3 ~ Y ~., N ~ also be part of a cyclc inco.l.ul ~ nt of 4 to 8 atoms calbone, or of hCI ~ rc ~ loops containing ~ n- ~ O, N ~ S. This cycle can in turn have ~ ~
substituents on lcs free sites of the same type as those described previously ~ me ~ (halogen, pseudo-halûg ~ ne, Q. RF. a XCO or X ~ 02 group, or be an integral part of a poly-m ~ rique ~.
l:) ans te cas where only ~ one or two nitrogen atoms are present dan ~ the cycle, it is nécéss ~ ire, for obtain good conductivities, that the group ~ slents CY completing the cycle contain ~ minus ~
two g, oupe. ~ n ~ fc "~ ement alt- ~ c ~ c ~, s of electrons, in particular, Cl, CN or CP3 or OCF3.
ef ~ and been shown by Wright and A1 (Solid-Sate Tonic ~ 1993) that the conductl ~ ity of sodium salts derivatives of in ~, ol ~ or b ~ n7; lni ~ 1 ~ 7ole dissolved dan ~ poly (ethylene oxide) was uès weak.
notnalne d'nppllcntlon:
Let us consider Ic ~ ionic compounds of formula g ~ n ~ rales M ~ X ~ an8 these materials M ~ can represent for example the cations: H ', (Li +. ~ a +, K ~, ~ g ~, Ca' ~ a + ~, ...), or a cation organ ~ such as a, .., llon; -, l,., a ~ mi ~ inium ~ a gu? ni ~ linium, a pyridinium, a nitrosyl, a sulfonium. a phosphonium, an iodonium ".. these examples are not 1 ~ mi ~; fc and ~ 'register in general. For its p ~ rt the anion X- as described ~ p ~ c ~ e ~ f ~ t has a negative charge lisée pe.-n ~ thus being to form M + X- salts of low energy retirul ~ ire ~
These con ~ posh ioniqucs have applications ~ tions in several areas essenl; çllç ~ erlt as electrolyte solutes. These areas include:
~ E ~ electrochemical systems ~ .nes such as batteries ~ or supercapacitors for energy storage élce ~ uc, as well as your ~ o ~ :(; f ~ ~ lect ~ r ~ .nes pe ~ nr to mo ~ er your light. The solutions ~
electrolydes used in these doln ~ ines can 8tre obtained by ~ en ~ rl ~ by dissoluffon of salt M ~ X- in a protic or apro ~ ic liquid, or a foolish polymer ~ as well as their ~ mixtures ,::

to form ~ by extension of the gel ~ in u ~ ilis ~ n ~ the appropriate combinations to do this.
~ Let’s also add the possibility of getting molten scls, in u ~ i1i59r ~ combinations suitable for this, for example prodquc in the case of binary salt mixtures ~
imidazolium X- and i ~ a7Qle or aprotlque for example in the case of alkyl salts in ~ id ~ .olium of X- and their ~ n ~ mixture ~ With liquids or polymers.
The ~ polym ~ res conductive ~ ~ niqucs whose conductivity is obtained by doping called "p" is say by oxidation of the macromol ~ cellular frame and insertion of anions X- in the network ~ l. As example we pc-lt cite the ~ déri ~ lrés of the family of polypyroles, polythiophene ~, or polyanilines, In this context ~, it is a ~ advantageous to be able to use the salts M ~ X ~ comm ~ source ion ~ X- in electrolytic solutions ~ during the synthase of these m ~ - ~ r ~ Y, or to do call to agents OAYdd ~ lS chemical ~ the polyn ~ is ~ ior of ~~ onv ~ s and the doping of polymer thus obtained where Ic dopa ~ ge on the pdymèrc d6jà. separate by another method.
~ Lcs polyn ~ tiQns ca!: O ~ u ~ s de poly ,. ~ es r ~ ches en ~ electrons like ~ poxydes ou ~ c ~
vinyl ethers, aziridine ~, ~ vinyls pni ~ es, isobulylenc. some hydfoc ~ bu ~ e3. The HX acids can be catalysts of this mode of polymerization either in free form, itself ~
. SOIIS latent form like salts of ~~ .onlulll or pyr ~ nillm ~ usceptibles to release these ac ~ des by heating as well as sou ~ the form of salts M + X-, M ~ representing for example a trlaryl sulfonillm or a diaryl iodonium ~ usceplible to release HX acids under the effect of r ~ or ~
~ ktinique.
~ The catalyst for reacting organic ch3mle through the use of cat ~ ons .qcdfs in this application such as lanth ~ ne, aluminum, rare earths, ...

:;

2 1 ~ 4 1 2 7 CONCLUSIONS

Originally, this work aimed at the study of cap ~; l ~ s useful ~ nt the phenomenon of double layer el.; lrocl ~, ~ llique developing on the carbon surface of large specific surface area, these components relatively old widely used in electronics, for example for memory storage computers, being considered for a few years as sources of energy of plliC ~ c ~ nce for various appli ~ tiom to the ele ~; lo ~ cl ~ ue.

In an attempt to improve the performance of current systems, it seemed wise to add short polymer segments on the surface of carbon grains, to promote ion exchange between the electrolyte and the surface of the grain, and on the other hand to facilitate the dispersion of the grains in the matrix polymer. The results obtained show that a dispersion of these carbons in poly (oxide ethylene) achieves a capacity in accordance with the geometric surface of the grains of carbon, which is after all a promising result. However, we must judge this result relative to the numerous studies of an industrial nature currently in progress ~ qll.om ~ nt, which selllPm ~ n ~
few years have made significant progress on the performance of these components both from the point of view of their energetic Cdpa ~ and their manufacturing technology.

Consequently, the initial objective of this work was less justified, both from a fundamental point of view and practical, due to the difficulty of achieving the results already obtained on industrial prototypes, and by the inability to embark on a technological study at the laboratory level. Of more, it is interesting to emphasize that there is no need to develop these capacities by solid environment, unlike lithium batteries with polymer electrolyte, the systems u ~ ilic ~ nts of liquid electrolytes which have proved their worth with lifetimes of more than 100,000 cycles, both for components marketed over the past twenty years for electronics, only for the prototypes currently developed and tested as part of research on power components for electric vehicles. However, it remains certainly to deepen the study of gelled electrolytes to optimize the performance of these components.

In the end, it seemed more reasonable to reorient the present work in a more prospective concel.lant different ~ l ~ mentc. components the sy ~ t ~ my electrochillical storage energy, and more particularly batteries with polymer electrolytes.

So the pale link of interest in this study is the field of polymer electrolytes, as well for proton conductors than for alr ~ lin conductors ~ The study on conductors proton motivated by the conduction g ~ n ~ r ~ lempnt high of these, in view of réali ~ r sources energy of strong puics ~ nce ~ allowed to obtain protonic polymer electrolytes based on the m ~ l ~ n ~ e of a molten salt with a m ~ trice of poly (ethylene oxide). These molten salts based on the doping with a strong acid of imidazole are just one example of such electrolytes, the plincipe is close to m ~ c ~ nism ~ s of conduclivi ~ e of the proton in the ~ y; ~ Biological lemes. The polymer electrolytes studied in this context are açtllPllPment conducleul ~ anhydrous proton having the best res ~ llt ~ t ~ in terms of conducliviles, and this particuli ~ re., lcnt at low ~ lllpélalu ~ e ~ a conductivity of 10-5 Ohm ~ l.cm-l being obtained at -20 ~ C in the case mPillPllr.

The alkaline conduits are of undeniable practical interest for the development of systems electrochemicals in thin films, and more particularly of lithium batteries Poly (oxide ethylene) or its derivatives being currently ~ known as the best choice of polymer solvent for such an application, the essential point remaining to be improved conce.lle the chemistry specific to the anions which constitutes the lithium salts used in the electrolyte; the anions currently used drifting for most of the fluorine chemistry whose cost is relatively high for the intended application.
An analysis of the physicochemical data on the acidity and the stability of different anions allowed to define relatively simple criteria allowing to arrive at dissociated and hardly oxidizable salts in dipolar aprotic solvents, and particularly polymeric solvents. It was thus possible to identify different families of anions meeting these criteria, which have been confirmed interest by measuring their conductivity in poly (ethylene oxide), and especially to show that probably existed substitutes that were not fluorinated or based on fluorine chemistry easily a ~ cPscihle to actuPIlPmPnt salts used, and therefore a subst ~ ntiPll ~ nPnt cost less.

The second part of this work focused on the study of polymers with mixed conduction. The grafting of polymer segments on the carbon surface developed for the capacities is not without of interest in this context, since directly transposable to lithium electrolyte batteries polymer, the insertion reaction in their cathode necessi ~ nt a homogeneous transport of ions and electrons, gold, these carbons allow to localize at the nanoscopic level a conduction electronics and ion conduction.

The study of polymers with mixed conduction has also been extended to the copolymer composed of a species electroactive and a segment of solvating polymer, and more pardculi ~ .ll ~, nl polyimides obtained from aromatic molecules dianhydrides with sc ~ -llents of poly (ethylene oxide) min ~ s, the study of which was initiated aupaldvdnt au labolatoil ~. it has been shown that one could extend the possible choices of aromadic nuclei, but that the synthesis or the reversibility ele ~; lr ~; ... ique of some of them could be questioned. However, the more extensive tests on the poly (benzodiimide-co-oxide of ethylene) shows all the interest of this family of materials for i . ' the ~ ~

_ improve the kinetics of insertion of lithium in the mat ~ riallx of insertion, allowing to perform a homogeneous catalysis of electronic transport on their surface, and gives hope important applications of these m ~ teria ~ x in b ~ tteries with polymer electrolytes. But the the most interesting result in our opinion is to have been able to show the exceptional stability of these polyimides as m ~ téri ~ u cathode during a long-term cycling test. This result co, -rir ... e la n ~ ceSsité de s'~ .ess ~ r more particuL; ~ au ~ redox species compati ~ them with Basic chemistry specific to lithium-ion batteries On the other hand, the lifespan of this ~ s mat ~ ri ~ llY and performance ~ s, both in terms of energy density and pllicc ~ nce ~ that we can e ~ -er for batteries ~ ltilic ~ ntc such mat ~ r ~ x shows that it is possible to consider the development of either b ~ lithium tteries of nits ~ nce which are in fact an el ~ mçnt of response to the objective which was fixed initi ~ lPmçnt to this work, or of b ~ ttçries being able to carry out a number of very important cycles for applications to stationary electrical energy storage systems. In terms of chemistry, these results tend to show all the interest of being deeply interested in the study of materials o ~ a, li ~ read electroactive in the context of work on ele ~ ~ hillliques generators.

The interest of the materials studied in this work is not limited to the field of generators éle ~ ochi.niquçs, but can extend in particular to that of éleclloch glazing ~ mes which PrésPntçnt also a potential outlet for these. More generally, it is better to group all of these studies within the framework of the chemistry of aprotic environments.

To conclude, the results gathered in this work confirm our choice to have favored a a priori prospective research, rather than the specific study of a particular point. Despite the shortcomings inherent in such a choice, this option ended us ~ lempnt allowed us to meet the initial objectives ~ lemçnt envisaged, and to extend both the concepts and the palette of mat ~ ri ~ u for the development of various electrochemical systems, as well as contributing to the knowledge of aspects fondamPnt ~ related to this area ~ of science VS

~ 194127 Annex A: Experimental methods Al Thermal characterization of samples:

The c ~ lo ~ m ~ tri ~ - diLrélen ~ ielle scanning, or DSC (Dirr ~ .en iel Camping Calorimetry), is an oudl of choice for Cd ~ t ~ tion of thermal pr ~ pfi ~ t ~ s as well as, in this case, salts proton fuses as polymer electrolytes. Its principle consists in the analysis of the dirr ~ this enthalpy recorded between an e ~ h ~ ntillon and a l ~ f ~ .el ~ ce inert which undergo the same heating process. This gives access to the physical properties of such binary mixtures, and in particular to the glass transition temperature Tv (below which no more movement of reorganization does not exist at the microscopic level in the m ~ t ~ ri ~ ll), at the temperature of recrict ~ llic ~ tion Tc, and at different melting temperatures Tf. Figure 1 gives a typical example of such thermogld.,. ", e obtained by DSC.

ABCD
r x CD ~ T, ~

Tg You "er ~ ture>
Figure1: Example of ll, er ".og, dn""e typical of a blenary mixture obtained by DSC.
The tempe, ~ lul ~ of glass transition (zone A) is thus caract ~ risCe by an allgmlont ~ tion of heat specific of the material in the form of a "step", we chose to determine it as the temperature in the middle of it. Zone B presents an exothermic phenomenon attributed to the recrict ~ llis ~ tion of all or part of the amorphous phase. The first endoth ~ rical peak (zone C) characterizes the temperature from which a liquid phase (or amorphous for polymers) appears in the material, and col, ~ ond to that of the bearing eu ~ ectic Te. When at the second point of fusion (zoneD), it indicates the temperature where the whole of the m ~ téri ~ u is melted.

These data make it possible to construct the phase diagram of the materials, by studying the thermal properties of ech ~ ntillor c of different concentrations, as illustrated in Figure 2.

L ~ _____. TCD

Tf ~ - - - / L ~ CD
EA + L ~ \ /
~ Te - A ~ ._ Tg _ _ _ - - - - E ~ D

A Co "" ~ ositi ~ n CD B
Figure 2: Example of phase diagram of a binary system.

In the present case, the sample studied is placed in a sealed anodized alminium capsule.
(Dupont), and placed on the measuring head of the DSC device (Netzsch STA 409), an empty capsule serving as a reference element. We then perform two temperature increases succe ~ cives for a scanning speed of 10 ~ C / min, each preceded by cooling to -100 ~ C (- -30 ~ C / min).

It is important to note that the Netzsch STA 409 device does not perform a DSC measurement, which would consist in de ~ rminin the heat flow nece ~ ss ~ ire to balance the temperature of the sample to that of the reference, but a differential thermal analysis, in other words the measurement of the temperature difference between the sample and the reference, which is subsequently converted to that would give a real DS analysis (~

A.2 Conductivity of electrolytes:

The electrolyte films, with a thickness of 100-200 ~ m, are placed between two electrodes stainless steel blockers. If we assume that we can symbolize the electrolyte by a circuit electric parallel RC, determination by impedance spectroscopy of the system impedance r ~ allows to determine the r ~ e ~ ist ~ nee of the electrolyte for a tempél ~ lul ~ given (RéleC) ~ and this from of the ~ eyl ~ sentaLion of impé-iance in the Nyquist plane, as illustrated in Figure 3.

Thereafter, the conn ~ icslnce of the geometric factor of the sample makes it possible to determine the conductivity of the electrolyte for a given temperature. In this case, the measurements are performed using a Hewlett-Packard impe ~ l ~ nce spectrometer, model HP 4192 A, coupled to a microor (lin ~ tor, in the frequency range S Hz-13 MHz.

.

~ /
Q

Zr (Ohms) Relec Figure 3: Typical example of an impedance spectrum in the Nyquist plane The description of the procedure for preparing the samples for the measurement of conductivity of proton electrolytes having already been described (Cf ChapI, II-2-3), it will be limited in the present case with electrolytes ~ lc ~ linc. Polymer electrolyte films are obtained by casting in a glass ring placed on a Teflon plate, a solution in acetonitrile, previously degassed, the salt studied and poly (ethylene oxide). After evaporating the solvent to ambient temperature, the films are placed in a glove box at least one week ~ inp before carrying out the conductivity measurement. Note that the polymer is dispersed with m ~ th ~ nol before adding acetonitrile (5-10% by volume relative to acetonitrile) in order to accelerate the solubilization of polymer. POE 5.106 is commonly used to make electrolyte films with good mechanical properties which facilitate their subsequent handling. However, POE 5.106 has a mass too high to allow it to flow into the conductivity cell, and ensure thus a homogeneous bonding of the electrolyte on the electrodes. Also, the electrolyte is composed of a weight mixture of 60% POE S. 106, and 40% POE 9.105, thus allows ~ nt to guarantee the contact between the electrolyte and the electrodes. It has been verified that such a mixture does not affect the value of conductivity obtained, and this for the lithium salt of dicyanotriazole.
.

In order to carry out the conductivity measurement, the electrolyte films are placed on a support composed of two steel cylinders with a diameter of 16 mm, and a Teflon guide allowing ~ nt guarantee the ~ lignPmerlt of the two steel electrodes. This support is then introduced into a glass conductivity designed to be placed later in a Buchi TO-50 oven, all these operations are carried out under an argon atmosphere in a glove box. Once introduced in the oven, the cell is connected to a vacuum pump, and brought to a t ~ mp ~ ldlu ~ of 120 ~ C during minus fifteen hours. The measurements are then made from 120 ~ C up to the temperature ambient, at three hour intervals typiquPmPnt The thickness of the electrolyte is det ~ rminPe at the end measurements using a mechanical micrometer. It is important to note that to ensure the accuracy of this measurement, the surf ~ these two steel cylinders were rectified ~ s on a lathe.
j! ' III

Finally, Figure 4 shows the conductivity obtained in ~ decreasing ture for LiTFSI at O / Li = 8/1, for two measurements made by different e ~.

1 o 2 ~ - LiTFSI O / Li = 8/1 E ~ Decreasing temperature -E 10-3 - o C ~ J
O ~
'~ D ~
C ~ 10 4 - ~ _ ~ POE 6.106, [Sylla]
C ~ ~ ~ ------ POE 9.105, [Hammouche]

Temperature (~ C) Figure 4: Comparison of the conductivity for two fl / ms of POE / LITFSI at O / Li = 8/1.

This confirms that it is entirely possible to carry out conductivity measurements, under the conditions ~ ccessihles in the laboratory, with quite correct precision, the difference observed between these two curves corresponds in fact to a maximum dispersion of +/- 2% of the values, except for the two extreme points which correspond to a dispersion of the order of +/- 5%. Of more, it should be noted that the difference for a temperature ~ 90 ~ C probably corresponds to a slight A.3 Electrochemical characterization using microelectrode:

The support allowing perform the tests in microelectrode is described on Figure 5. As a rule we are preparing a film of material to study, or one deposits directly on the electrode this product from a solution, or a dispersion of the latter in a solvent. The potentiostat used to control the measurement a been done at lab, ~ lo ~ etzschl A.4 Character ~; electrolytic position ~ .lique from battery:

IV

-The characterization of materials from a battery makes it possible to provide numerous inform ~ tione, in particular to obtain the CuulbCS of decl ~ & ge int ~ miost ~ tick ~ and flight ~ étrie slow permp ~ tt ~ nt of c ~ dct ~; ser, from a Mac Pile potentiostat ~ (BioLogic) developed for this effect. The ep ~ icse ~ typical of the different components of such a battery are given on the Figure 6. In addition, conl. ~ i. ~, ... ~ a ~ t at the microelectrode, the capa ~; coulombic island of m ~ t ~ r ~ on which s ~ erç ~ read the electrochemical test is known, by weighing the quality of m ~ t ~ n ~ ud ~ pos ~ on the cathode e ~ 25-50 ~ m steel pellet with an area of 2 cm2, serving _ Cl ~ t ~ l ~ to e ~ 200-300 ~ m supporting the cathode. It is therefore possible to Flgur ~ 6 ~ p ~ typical issuer ~ 3 of the constituents of define the theoretical capacity of the battery (Cth) ~ It ~ r; ~ used for ~ chemical tests.
expressed g ~ n ~ ralem ~ nt in Coulomb number by cm2 or in mA.h per cm2, which is obtained by dividing the capacity in Coulomb by a factor equal to 3.6.
In no case is the capacity of the anode taken into account, this being due to the thickness of the sheet of lithium is approximately 100 times that of the cathode.

Thereafter, during reduction or oxidation of the cathode m ~ t ~ n ~ u, the capacity is determined practice obtained for a given current or speed of scanning in potential, and it is thus possible to define the percentage of use of the electroactive material (% Use) by the Mpport of the pMtic capacity to the theoretical capacity. During a battery cycling test, the evolution of this per ~ meter perrnet of qu ~ ntifier degradation of the cathode material during cycling. In addition, the ratio of the capacity obtained in discharge, on the capacity in recharge, which one expresses by C / D ratio makes it possible to obtain the faradaic yield which is equal to 1 in the absence of phenomenon parasite. If when recharging the battery, a dendrite appears which grows up to the cathode, the coulombic yield becomes greater than 1, which characterizes this kind of phenomenon well.

On the other hand, the intensiostatic discharge test of a battery for different discharge currents allows to assess the influence of the discharge regime on the available capacity of the cathode. It is then possible to deduce the energy and power density for a weight or a volume of given battery, generally from a geometry corresponding to an optimized system.
,,.
Finally, note that the tests are mostly carried out in a cell placed in a oven in which circulates 1 'argon at a temp ~, dluie of 80 ~ C, the sealed boxes used being waterproof only about lS days at such a temperature ~ .alu- ~ ,. For tests which are not carried out under argon, we check at the end of the test by dismantling the battery that the lithium is still bright and therefore not oxidized or nitrided, which guarantees the validity of the test.
A.5 Characterization by NMR:

~ 1,941 ~ 7 Nuclear magnetic resonance (NMR) makes it possible to study the structure and composition of synth ~ ti $ ~ s ~ organic products to ensure their purity. It is performed either on a device Brucker working at 80 MHz (carbon and proton), or on a device of the same brand working ~ n ~
at 200 MHz (carbon, proton, fluorine). The reference for fluorine being CFCl3 in chloroform, it is n ~ ceCc ~; ~ de sou ~ e 3.87 ppm to the value obtained for the ~ f ~. ~ ,. this. à l'n ~ élon; l,; le A.6 Characterization by spe ~; infrared lroscopy:

The, pe; ll ~, s infrared are obtained on a Fourier transform apparatus Nicolet ~ -l ~ 410.

Reference:

[I b "", ~ uche] Common, l ~ ~ 'n per ~ onne "e [Netzsch] Notice t ~ l, r,, _e Netzsch STA 409.
[Sylla] Sylla, S. Doctoral thesis of the University of Grenoble, INPG, 1992.

,,. ~

VI

Claims (7)

Les réalisations de l'invention, au sujet desquelles un droit exclusif de propriété ou de privilège est revendiqué, sont définies comme il suit: The embodiments of the invention, about which an exclusive right of property or lien is claimed, are defined as follows: 1. Anions délocalisés utiles en tant que solutés électrolytiques de formule:

RFSO2NH2 + Base + YSO2X ~ RFSO2NHSO2Y

~ RF représentant généralement un groupement perfluoré du type (CnF2n+1) ~ X représentant un électrofuge approprié (halogène, imidazole, ...) ~ Y pouvant être un groupe fonctionnel de quelque nature que ce soit et plus particulièrement:
- un groupement organique alkyle ou alkènyle, aryle, alkyl-aryle ou alkényl-aryle, contenant ou non des substituants oxa ou aza, simple ou perhalogéné. Comme exemple particulier, citons les dérivés obtenus à
partir des halogénures de sulfonyles du polystyrène, - un halogène, - un pseudo-halogène, c'est-à-dire un radical électroattracteur monovalent tel que OCF3, - un groupement alcoxy, vinyloxy ou dialkylamino, dialkènylamino, - un groupement chiral.
1. Delocalized anions useful as electrolyte solutes of formula:

RFSO2NH2 + Base + YSO2X ~ RFSO2NHSO2Y

~ RF generally representing a perfluorinated group of the type (CnF2n + 1) ~ X representing an appropriate electrofuge (halogen, imidazole, ...) ~ Y can be a functional group of any kind and more particularly:
- an organic alkyl or alkenyl, aryl, alkyl-aryl or alkenyl-aryl, containing or not containing oxa or aza substituents, simple or perhalogenated. As a particular example, let us quote the derivatives obtained at from sulfonyl halides from polystyrene, - halogen, - a pseudo-halogen, that is to say a monovalent electron-withdrawing radical such as OCF3, an alkoxy, vinyloxy or dialkylamino, dialkenylamino group, - a chiral group.
2. Anions cycliques dérivants de la famille des acides barbituriques de formule générale:

~ Z représentant un groupement carbonyle (-CO-) ou sulfonyle (-SO2)-.
~ X représentant un groupement -CH(RW)- ou un groupement -NH-. Le groupement R pouvant être rien, un carbonyle ou un sulfonyle et W se définissant lui-même comme:

- un groupement organique alkyle ou alkènyle, aryle, alkyl-aryle ou alkényl-aryl, contenant ou non des substituants oxa ou aza, simple ou perhalogéné, - un halogène, - un pseudo-halogène, c'est-à-dire un radical électroattracteur monovalent tel que CN, NO2, SCN, OCF3, SCF3,...
- un groupement alcoxy, vinyloxy ou dialkylamino, dialkènylamino, ~ Y1, Y2 identiques ou différents représentant essentiellement un groupement organique, alkyle ou alkényle alkyl-aryle, contenant ou non des substituants oxa ou aza, simple ou perhalogéné. Citons plus particulièrement les groupements CF3CH2, ou les groupements polymérisables ou réticulables allyles, vinyles, CH2=CH2O(CH2)n.
2. Cyclic anions derived from the family of barbituric acids of formula general:

~ Z representing a carbonyl (-CO-) or sulfonyl (-SO2) - group.
~ X representing a group -CH (RW) - or a group -NH-. The group R can be nothing, a carbonyl or a sulfonyl and W is defining itself as:

- an organic alkyl or alkenyl, aryl, alkyl-aryl or alkenyl-aryl, containing or not containing oxa or aza substituents, simple or perhalogenated, - halogen, - a pseudo-halogen, that is to say a monovalent electron-withdrawing radical such as CN, NO2, SCN, OCF3, SCF3, ...
an alkoxy, vinyloxy or dialkylamino, dialkenylamino group, ~ Y1, Y2 identical or different essentially representing a group organic, alkyl or alkenyl alkyl-aryl, containing or not containing oxa substituents or aza, simple or perhalogenated. Let us cite more particularly the groupings CF3CH2, or the polymerizable or crosslinkable groups allyl, vinyl, CH2 = CH2O (CH2) n.
3. Anions hétérocycliques de formule générale:

Z représentant soit un atome d'azote ~N, soit un radical ~CY, un groupement ~S(=O)Q ou ~PQ'Q":
Q, Q' et Q" identiques ou différents représentant:
- un groupement organique alkyle ou alkènyle, aryle, alkyl-aryle ou alkényl-aryl, contenant ou non des substituants oxa ou aza, simple ou perhalogéné, en particulier perfluoré de type RF.
Y représentant:
- un groupement Q, - un halogène F, Cl, Br, - un pseudo-halogène, c'est-à-dire un radical électroattracteur monovalent tel que CN, SCN, N3, CF3, OCF3, OCnF2n+1, OC2F4H, SCF3, SCnF2n+1, SC2F4H..., - un groupement XCO- ou XSO2- dans lesquels X représente soit un atome de fluor, un groupement Q, un groupement alcoxy, vinyloxy ou dialkylamino, dialkènyl amino.
3. Heterocyclic anions of general formula:

Z representing either a nitrogen atom ~ N, or a radical ~ CY, a group ~ S (= O) Q or ~ PQ'Q ":
Q, Q 'and Q "identical or different representing:
- an organic alkyl or alkenyl, aryl, alkyl-aryl or alkenyl-aryl, whether or not containing oxa or aza substituents, simple or perhalogenated, in particular perfluorinated of the RF type.
Representative:
- a group Q, - a halogen F, Cl, Br, - a pseudo-halogen, that is to say an electron-withdrawing radical monovalent such as CN, SCN, N3, CF3, OCF3, OCnF2n + 1, OC2F4H, SCF3, SCnF2n + 1, SC2F4H ..., - an XCO- or XSO2- group in which X represents either a fluorine atom, a Q group, an alkoxy group, vinyloxy or dialkylamino, dialkenyl amino.
4. Utilisation des anions selon les revendications 1, 2 ou 3 dans les systèmes électrochimiques tels les batteries ou supercapacités pour le stockage de l'énergie électrique, ainsi que les dispositifs électrochromes permettant de moduler la lumière. 4. Use of the anions according to claims 1, 2 or 3 in systems electrochemicals such as batteries or supercapacitors for energy storage electric, as well as the electrochromic devices allowing to modulate the light. 5. Utilisation des anions selon l'une des revendications 1, 2 ou 3, comme source d'ions dans des solutions électrolytiques au cours de la synthèse des polymères conducteurs électroniques. 5. Use of the anions according to one of claims 1, 2 or 3, as source of ions in electrolytic solutions during the synthesis of electronic conductive polymers. 6. Utilisation des anions selon l'une des revendications 1, 2 ou 3 comme catalyseurs de polymérisations cationiques de polymères riches en électrons comme les époxydes ou les éthers vinyliques, les aziridines, les vinyles amides,l'isobutylène et certains hydrocarbures. 6. Use of the anions according to one of claims 1, 2 or 3 as cationic polymerization catalysts for electron-rich polymers such as epoxides or vinyl ethers, aziridines, vinyl amides, isobutylene and certain hydrocarbons. 7. Utilisation des anions selon l'une des revendications 1, 2 ou 3, dans la catalyse des réactions de chimie organique impliquant des cations actifs comme le lanthane, l'aluminium, les terres rares et autres. 7. Use of the anions according to one of claims 1, 2 or 3, in the catalyzes organic chemistry reactions involving active cations like lanthanum, aluminum, rare earths and others.
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CA2248303A CA2248303C (en) 1996-12-30 1997-12-30 Perfluorinated amide salts and their uses as ionic conducting materials
CA2683826A CA2683826C (en) 1996-12-30 1997-12-30 Pentacyclic anion salts or tetrazapentalene derivatives and their uses as ionic conducting materials
DE69715361T DE69715361T2 (en) 1996-12-30 1997-12-30 Ionically conductive materials containing perfluorinated amide salts and their uses
JP52951798A JP4361137B2 (en) 1996-12-30 1997-12-30 Proton conductor in liquid form
JP52951398A JP4070244B2 (en) 1996-12-30 1997-12-30 Surface-modified carbonized material
EP20010129670 EP1201650B1 (en) 1996-12-30 1997-12-30 Ionic malonitril derivatives and their uses
US09/125,792 US6120696A (en) 1996-12-30 1997-12-30 Proton conductors in liquid form
DE69739501T DE69739501D1 (en) 1996-12-30 1997-12-30 Salts of heterocyclic anions and their uses as ionically conductive materials
JP52951598A JP2000508677A (en) 1996-12-30 1997-12-30 Malonate nitrile derivative anion salts and their use as ion conductive materials
CA2248246A CA2248246C (en) 1996-12-30 1997-12-30 Pentacyclic anion salts or tetrazapentalene derivatives and their uses as ionic conducting materials
EP19970403190 EP0850932B1 (en) 1996-12-30 1997-12-30 Salts of heterocyclic anions and their uses as ionic conductive materials
DE69705301T DE69705301T2 (en) 1996-12-30 1997-12-30 LIQUID PROTON LEAD
JP52951698A JP4683675B2 (en) 1996-12-30 1997-12-30 Heterocyclic aromatic anion salts and their use as ionic conducting materials
CA002244979A CA2244979C (en) 1996-12-30 1997-12-30 Proton conductor in liquid form
PCT/CA1997/001012 WO1998029877A1 (en) 1996-12-30 1997-12-30 Proton conductor in liquid form
DE69721748T DE69721748T2 (en) 1996-12-30 1997-12-30 SURFACE MODIFIED CARBON MATERIALS
EP20090166055 EP2380882B1 (en) 1996-12-30 1997-12-30 Salts of heterocyclic anions and their uses as ionic conductive materials
US09/125,799 US6395367B1 (en) 1996-12-30 1997-12-30 Pentacyclic anion salts or tetrazapentalene derivatives and their uses as ionic conducting materials
US09/101,810 US6333425B1 (en) 1996-12-30 1997-12-30 Malononitrile-derivative anion salts, and their uses as ionic conducting materials
CA002248304A CA2248304C (en) 1996-12-30 1997-12-30 Surface modified carbonate materials
PCT/CA1997/001008 WO1998029358A2 (en) 1996-12-30 1997-12-30 Surface modified carbonate materials
PCT/CA1997/001013 WO1998029388A1 (en) 1996-12-30 1997-12-30 Perfluorinated amide salts and their uses as ionic conducting materials
PCT/CA1997/001009 WO1998029399A1 (en) 1996-12-30 1997-12-30 Pentacyclic anion salts or tetrazapentalene derivatives and their uses as ionic conducting materials
JP52951898A JP4823401B2 (en) 1996-12-30 1997-12-30 Perfluorinated amide salts and their use as ion-conducting substances
PCT/CA1997/001010 WO1998029389A1 (en) 1996-12-30 1997-12-30 Malononitrile-derivative anion salts, and their uses as ionic conducting materials
DE1997636994 DE69736994T2 (en) 1996-12-30 1997-12-30 Ionic malononitrile derivatives and their use
EP19970403189 EP0850921B1 (en) 1996-12-30 1997-12-30 Ionic conductive materials comprising an ionic compound, derived from malononitrile and uses thereof
EP97951052A EP0890176B1 (en) 1996-12-30 1997-12-30 Proton conductor in liquid form
EP97951051A EP0889863B1 (en) 1996-12-30 1997-12-30 Surface modified carbonate materials
EP03292436.7A EP1391952A3 (en) 1996-12-30 1997-12-30 Salts of pentacyclic or tetrapentaline derived anions, and their uses as ionic conductive materials
EP19970403188 EP0850933A1 (en) 1996-12-30 1997-12-30 Salts of pentacyclic or tetrapentaline derived anions, and their uses as ionic conductive materials
US09/101,811 US6171522B1 (en) 1996-12-30 1997-12-30 Heterocyclic aromatic anion salts, and their uses as ionic conducting materials
DE69715799T DE69715799T2 (en) 1996-12-30 1997-12-30 Ionically conductive materials containing a malononitrile-derived ionic compound and their uses
CA2248242A CA2248242C (en) 1996-12-30 1997-12-30 Malononitrile-derivative anion salts, and their uses as ionic conducting materials
CA2704986A CA2704986C (en) 1996-12-30 1997-12-30 Use of an ionic compound, derived from malononitrile as a photoinitiator, radical initiators or catalyser in polymerization processes or as a basic dye
US09/609,362 US6365068B1 (en) 1996-12-30 2000-06-30 Heterocyclic aromatic anion salts, and their uses as ionic conducting materials
US09/638,793 US6576159B1 (en) 1996-12-30 2000-08-09 Malononitrile-derivative anion salts, and their uses as ionic conducting materials
US09/826,941 US6506517B2 (en) 1996-12-30 2001-04-06 Surface modified carbonaceous materials
US09/858,439 US20020009650A1 (en) 1996-12-30 2001-05-16 Perfluorinated amide salts and their uses as ionic conducting materials
US10/107,742 US6835495B2 (en) 1996-12-30 2002-03-27 Pentacyclic anion salts or tetrazapentalene derivatives and their uses as ionic conducting materials
US10/253,970 US20030066988A1 (en) 1996-12-30 2002-09-24 Malononitrile-derivative anion salts, and their uses as ionic conducting materials
US10/253,035 US20030052310A1 (en) 1996-12-30 2002-09-24 Perfluorinated amide salts and their uses as ionic conducting materials
US10/789,453 US20050074668A1 (en) 1996-12-30 2004-02-27 Perfluorinated amide salts and their uses as ionic conducting materials
US10/926,283 US7906235B2 (en) 1996-12-30 2004-08-25 Pentacyclic anion salts or tetrazapentalene derivatives and their uses as ionic conducting materials
JP2007193021A JP2008007781A (en) 1996-12-30 2007-07-25 Surface modified carbonated material
US11/867,898 US20240253023A1 (en) 1996-12-30 2007-10-05 Perfluorinated amide salts and their uses as ionic conducting materials
JP2008143090A JP2009004374A (en) 1996-12-30 2008-05-30 Proton conductor of liquid form
JP2009010733A JP4927108B2 (en) 1996-12-30 2009-01-21 Heterocyclic aromatic anion salts and their use as ionic conducting materials
JP2009120239A JP5629061B2 (en) 1996-12-30 2009-05-18 Perfluorinated amide salts and their use as ion-conducting substances
JP2010006864A JP5209649B2 (en) 1996-12-30 2010-01-15 Malonic acid nitrile derivative anion salts and their use as ion conducting materials
JP2013033109A JP2013173740A (en) 1996-12-30 2013-02-22 Perfluorinated amide salt and method for use thereof as ionic conducting material
JP2014001687A JP2014169271A (en) 1996-12-30 2014-01-08 Amide perfluoride salt and method for using the same as an ion-conductive substance
JP2015234934A JP2016104739A (en) 1996-12-30 2015-12-01 Perfluorinated amide salt and its use as ionic conducting material

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Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2007055392A1 (en) * 2005-11-11 2007-05-18 Nippon Shokubai Co., Ltd. Ionic compound
JP2007131596A (en) * 2005-11-11 2007-05-31 Nippon Shokubai Co Ltd Ionic compound
EP0980353B2 (en) 1997-05-01 2009-10-07 Minnesota Mining And Manufacturing Company Cationically polymerizable compositions capable of being coated by electrostatic assistance
WO2018176134A1 (en) 2017-03-27 2018-10-04 HYDRO-QUéBEC Salts for use in electrolyte compositions or as electrode additives
CN111193069A (en) * 2018-11-15 2020-05-22 三星电子株式会社 Metal salt, method for preparing metal salt, and electrolyte and electrochemical device each containing metal salt
CN112300404A (en) * 2020-11-02 2021-02-02 北京化工大学 Preparation method of active supramolecular polymer based on layered double hydroxide bionic confinement driving
CN112473647A (en) * 2020-12-23 2021-03-12 唐山学院 Fiber cluster-shaped SmBO3Method for preparing photocatalyst
CN113904002A (en) * 2021-09-02 2022-01-07 澳门大学 Gel electrolyte for water-based zinc-manganese battery and preparation method thereof
CN114591374A (en) * 2022-02-14 2022-06-07 国网江西省电力有限公司电力科学研究院 Compound, synthesis method thereof and method for detecting hydrogen ion concentration in lithium battery
CN115522219A (en) * 2022-09-22 2022-12-27 长江师范学院 Preparation method of 4-bromopyrazole compound

Cited By (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0980353B2 (en) 1997-05-01 2009-10-07 Minnesota Mining And Manufacturing Company Cationically polymerizable compositions capable of being coated by electrostatic assistance
WO2007055392A1 (en) * 2005-11-11 2007-05-18 Nippon Shokubai Co., Ltd. Ionic compound
JP2007131596A (en) * 2005-11-11 2007-05-31 Nippon Shokubai Co Ltd Ionic compound
CN110461823B (en) * 2017-03-27 2023-08-11 魁北克电力公司 Salts for use in electrolyte compositions or as electrode additives
CN110461823A (en) * 2017-03-27 2019-11-15 魁北克电力公司 For in electrolyte composition or the salt as additive for electrode
JP2020515558A (en) * 2017-03-27 2020-05-28 ハイドロ−ケベック Salts used in electrolyte compositions or as additives for electrodes
WO2018176134A1 (en) 2017-03-27 2018-10-04 HYDRO-QUéBEC Salts for use in electrolyte compositions or as electrode additives
US12018000B2 (en) 2017-03-27 2024-06-25 HYDRO-QUéBEC Lithium salts of cyano-substituted imidazole for lithium ion batteries
CN111193069A (en) * 2018-11-15 2020-05-22 三星电子株式会社 Metal salt, method for preparing metal salt, and electrolyte and electrochemical device each containing metal salt
CN112300404A (en) * 2020-11-02 2021-02-02 北京化工大学 Preparation method of active supramolecular polymer based on layered double hydroxide bionic confinement driving
CN112473647A (en) * 2020-12-23 2021-03-12 唐山学院 Fiber cluster-shaped SmBO3Method for preparing photocatalyst
CN113904002A (en) * 2021-09-02 2022-01-07 澳门大学 Gel electrolyte for water-based zinc-manganese battery and preparation method thereof
CN113904002B (en) * 2021-09-02 2024-05-03 澳门大学 Gel electrolyte for water-based zinc-manganese battery and preparation method thereof
CN114591374A (en) * 2022-02-14 2022-06-07 国网江西省电力有限公司电力科学研究院 Compound, synthesis method thereof and method for detecting hydrogen ion concentration in lithium battery
CN115522219A (en) * 2022-09-22 2022-12-27 长江师范学院 Preparation method of 4-bromopyrazole compound
CN115522219B (en) * 2022-09-22 2024-06-07 长江师范学院 Preparation method of 4-bromopyrazole compound

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