EP2616432A1 - Sel d'aryle diazonium et utilisation dans une solution électrolytique d'un générateur électrochimique - Google Patents

Sel d'aryle diazonium et utilisation dans une solution électrolytique d'un générateur électrochimique

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Publication number
EP2616432A1
EP2616432A1 EP11764804.8A EP11764804A EP2616432A1 EP 2616432 A1 EP2616432 A1 EP 2616432A1 EP 11764804 A EP11764804 A EP 11764804A EP 2616432 A1 EP2616432 A1 EP 2616432A1
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EP
European Patent Office
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group
diazonium salt
linear
branched
different
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11764804.8A
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German (de)
English (en)
Inventor
Lauréline CREPEL
Fannie Alloin
Jean-Claude Lepretre
Sébastien MARTINET
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Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Universite Joseph Fourier Grenoble 1
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Universite Joseph Fourier Grenoble 1, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
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    • H01M10/24—Alkaline accumulators
    • H01M10/26—Selection of materials as electrolytes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07C—ACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C245/00—Compounds containing chains of at least two nitrogen atoms with at least one nitrogen-to-nitrogen multiple bond
    • C07C245/20—Diazonium compounds
    • H—ELECTRICITY
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    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
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    • H01G11/54—Electrolytes
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    • H01M10/056—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
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    • Y02E60/13—Energy storage using capacitors

Definitions

  • Aryl diazonium salt and use in an electrolytic solution of an electrochemical generator Aryl diazonium salt and use in an electrolytic solution of an electrochemical generator
  • the invention relates to a diazonium salt and its use in an electrolytic solution of an electrochemical generator.
  • Electrochemical generators include accumulators and supercapacitors.
  • An accumulator is defined as an energy storage system, using electrochemical reactions to store and restore electrical energy.
  • Li-ion batteries generally use electrolytes based on organic solvents containing a dissolved lithium salt.
  • a supercapacitor is an electrochemical capacitor for storing a quantity of energy via surface adsorption reactions of the electrode materials and for restoring a power density, intermediate between the batteries and the conventional electrolytic capacitors.
  • Electrochemical generators in particular lithium-ion batteries, using aqueous electrolytes are, however, beginning to develop.
  • An aqueous electrochemical accumulator is conventionally composed of a positive electrode and a negative electrode, a porous separator ensuring the electronic insulation between the electrodes, positive and negative, of a water-based electrolyte in which is dissolved one or more salts providing the ionic conductivity.
  • the salts commonly used are, for example, H 2 SO 4 for lead accumulators, a KOH-LiOH-NaOH mixture for alkaline storage batteries and a lithium salt. such as LiNO 3 , Li 2 SO 4 , LiOH for lithium aqueous accumulators.
  • the electrolyte impregnates all or part of the porosity of the electrodes and the separator.
  • Each of the positive and negative electrodes is composed of an active material, positive and negative respectively, of an electronic conductor such as carbon black and carbon fibers, a thickener and a binder.
  • An aqueous super capacitor is conventionally composed of two porous electrodes, integrating either high surface area activated carbon type compounds or transition metal oxides of the MnO 2 , RuO 2 , Li 4 Ti 5 O 12 , TiO 2 type , a porous separating membrane between the two electrodes, an aqueous electrolyte in which is dissolved one or more salts ensuring the ionic conductivity such as KOH, H 2 SO 4 , KNO 3 , LiNO 3 , NaSO 4 .
  • the performance of the electrochemical generators may be affected by instability phenomena of the organic or aqueous liquid electrolyte during operation of the accumulator.
  • the electrolyte must effectively withstand the operating voltage of the accumulator which is between 1, 9V and 5 V depending on the pair of electrodes used for organic electrolytes and between 1, 2V and 2V for aqueous electrolytes.
  • the operating voltage of the accumulator which is between 1, 9V and 5 V depending on the pair of electrodes used for organic electrolytes and between 1, 2V and 2V for aqueous electrolytes.
  • parasitic reactions of decomposition of the catalyzed electrolyte on the surface of the electrodes are observed.
  • the window of thermodynamic stability of the water as a function of the pH is 1.23 V and considerably limits the choice of active materials for such an electrochemical generator.
  • the electrochemical decomposition of the water In the absence of overvoltage phenomenon, the oxidation of the water on the positive electrode is observed for potentials located above the line represented by a broken line (at the top in FIG. observe the reduction of the water on the negative electrode for potentials located below the line represented by a dashed line (bottom in Figure 1). Overvoltage phenomena related to oxidation and water reduction are low on lithium insertion materials.
  • JP-A-2000340256 and JP-A-2000077073 exploit electrode surges to control interfacial reactions.
  • Another proposed solution consists of passivating at least one electrode of the lithium-ion accumulator in order to inhibit the degradation of the liquid electrolyte.
  • the document US-A-20090155696 proposes to produce an insulating film on the electrode, by polymerization of a monomer present in the electrolyte of the accumulator.
  • Another way is to form a protective layer on the surface of an electrode by grafting via an electrochemical process of the aromatic group an aryl diazonium salt for modifying or improving the physico-chemical properties of the electrode material.
  • R is a substituent of the aryl group
  • X is an anion such as a halide or BF 4 " ion
  • C is carbon
  • SC is a semiconductor
  • M is a metal.
  • the grafting by electrochemical reduction of the diazonium salt to the surface of the positive electrode Li] jV 3 0 8 takes place when a potential imposed on the electrode less than the reduction potential of the diazonium salt.
  • the presence of an organic layer obtained by such a process does not limit the charge transfer of the electrode and strongly inhibits the decomposition of the catalyzed organic electrolyte on the surface of the electrode.
  • the object of the invention is to propose an alternative to the known diazonium salt.
  • Another object of the invention is to provide an improved electrolytic solution for an electrochemical generator, in particular overcoming the drawbacks of the prior art.
  • the object of the invention is to provide an aqueous electrolyte solution for a lithium-ion battery which is stable up to a high operating voltage and has a larger stability window as a function of pH than aqueous electrolytic solutions.
  • a lithium-ion battery of the prior art a lithium-ion battery of the prior art.
  • FIG. 1 corresponds to a water stability diagram representing the nominal voltage of the water as a function of the pH as well as the insertion and de-insertion potentials of various active materials of lithium-ion battery electrode.
  • FIG. 3 represents the superposition of three spectra obtained according to a Total Attenuated Reflection (ATR) method, of a sample of a diazonium salt according to the invention, denoted DS 3 , of a sample of a LiFePC electrode. covered with a passivation layer according to the invention, denoted D 1; and a comparative sample of a bare LiFePO 4 electrode , denoted D 0 .
  • ATR Total Attenuated Reflection
  • FIG. 4 represents the superposition of three infrared spectra obtained according to an ATR method, a sample of a diazonium salt, denoted S 2 , and two comparative samples, respectively, of the bare electrode D 0 and a electrode passivated with salt S 2 , denoted D 2 .
  • FIG. 5 represents three cyclic voltammetry curves obtained for an electrochemical cell comprising, respectively, the electrode D 0 , ⁇ ) ⁇ and D 2 in an aqueous electrolyte L1NO3 5M. Description of particular embodiments.
  • Initial electrolytic solution of an electrochemical generator is understood to mean an electrolytic solution present in the electrochemical generator before the first charge of this generator. Initial electrolytic solutions containing such salts are more stable than those of the prior art and contribute to improving the performance of the generator, in particular, a lithium-ion battery.
  • the diazonium salt has the following general formula (1):
  • n is an integer between 1 and 10, preferably between 1 and 4,
  • X " represents a counterion of the diazonium cation chosen from halides, BF 4 " ,
  • R 1 is selected from the group consisting of -CH 2 -, an alkyl chain preferably comprising from 1 to 6 carbon atoms, linear or branched, cyclic or acyclic
  • R 2 is selected from the group consisting of -CH 2 - an alkyl chain preferably comprising from 2 to 6 carbon atoms, linear or branched, cyclic or acyclic, preferably a methylene-, ethylene-, n-propylene-, iso-propylene-, n-butylene- tert-butylene, sec-butylene and n-pentylene,
  • R 3 is selected from the group consisting of -CH 3 , an alkyl chain preferably comprising from 2 to 6 carbon atoms, linear or branched, cyclic or acyclic and a group of formula (2) below:
  • a ' is an aromatic hydrocarbon group, mono or polycyclic, selected from the group consisting of phenyl, aryl groups, condensed polyaromatic groups, optionally substituted,
  • R is selected from the group consisting of -CH 2 -, an alkyl chain preferably comprising from 2 to 8 carbon atoms, linear or branched, cyclic or acyclic, and
  • A is identical to or different from A 'and represents an aromatic hydrocarbon group, mono or polycyclic, selected from the group consisting of phenyl, aryl groups, condensed polyaromatic groups, optionally substituted, with the exception of the group of formula (3 ), shown below, when R 3 is selected from the group consisting of -CH 3 , an alkyl chain, linear or branched, cyclic or acyclic:
  • R 5 and 3 ⁇ 4 are identical or different and independently selected from the group consisting of -CH 3 , an alkyl group, linear or branched, cyclic or acyclic.
  • aryl group an aromatic system having one or more aromatic rings, optionally substituted.
  • a and / or A ' is an aryl group
  • an aryl group comprising from 6 to 9 carbon atoms, for example a phenyl, tolyl, xylyl or trimethylphenyl group
  • the diazonium function is carried on the aromatic ring of the aryl group.
  • condensed polyaromatic group is meant a polycyclic aromatic system formed of several fused benzene rings.
  • the diazonium function can be carried on any of the aromatic rings of the condensed polyaromatic group.
  • a and / or A ' is a fused polyaromatic group
  • a polyaromatic group comprising from 10 to 45 carbon atoms, optionally substituted with one or more groups selected from the group consisting of -H, -CH3, will preferably be chosen, a halide, a linear or branched alkyl chain comprising from 2 to 8 carbon atoms and, optionally, one or more heteroatoms chosen from O, S and N.
  • the diazonium salt is free of hydroxyl functions so as to minimize the affinity of the diazonium salt with the water of the electrolytic solution, for example, by avoiding the creation of Van der Waals and / or hydrogen bonds.
  • R ls R 2 and R 3 are advantageously free of hydroxyl functions in order to obtain a diazonium salt having a non-polar part A and A 'containing the aromatic hydrocarbon group and a polar portion, aprotic, consisting of a polyether chain.
  • a and A ' may be identical or different and selected from phenyl, anthracenyl and naphthalenyl groups, optionally substituted, preferably with one or more groups selected from the group consisting of -H, -CH 3 , a halide, a linear or branched alkyl chain comprising 2 and 8 carbon atoms and, optionally, one or more heteroatoms chosen from O, S and N.
  • the diazonium salt may advantageously be a bis-diazonium salt of formula (1) in which R 3 is a group of formula (2).
  • the diazonium salt may, for example, be a bis-diazonium salt of the following general formula (4):
  • n is an integer between 1 and 10, preferably between 1 and 4,
  • n 0 or 1
  • p is an integer between 1 and 5, advantageously equal to 2,
  • X " and Y " are identical or different and represent, independently, a counter-ion of the diazonium cation chosen from halides, BF 4 ⁇ , N0 3 " , HSO 4 " , PF 6 “ , CH 3 COO ⁇ N (SO 2 CF 3 ) 2 " , CF 3 SO 3 " , CH 3 SO 3 CF 3 COO (CH 3 0) (H) PO 2 N (CN) 2 " , R 1 and R 4 are the same or different and independently selected from the group consisting of -CH 2 -, an alkyl chain preferably comprising from 1 to 6 carbon atoms, linear or branched, cyclic or acyclic,
  • R 7 and R 8 are identical or different and independently selected from the group consisting of -H, -CH 3 , a halide, an alkyl chain preferably comprising from 2 to 8 carbon atoms, linear or branched, optionally containing a or more heteroatoms, advantageously chosen from O, S and N.
  • the bis-diazonium salt advantageously has a polyether chain which makes it possible to solvate the cations, in particular the Li + ions.
  • the polyether chain is advantageously a poly (oxyethylene).
  • m is preferably equal to 0 and p between 2 and 4, advantageously equal to 2.
  • the polyether chain between the aromatic groups of A and A ' is preferably in the benzylic position.
  • each of R 1 and R 4 represents, advantageously, a group -CH 2 -, respectively, in formulas (1) and (2).
  • the polyether chain is advantageously in position relative to the diazonium functions.
  • the diazonium salt has the following eneral formula (5):
  • n is an integer between 1 and 10, preferably between 1 and 4,
  • n 0 or 1
  • p is an integer between 1 and 5, advantageously equal to 2,
  • X " and Y " are identical or different and represent, independently, a counter-ion of the diazonium cation chosen from halides, BF 4 " , N0 3 “ , HSO 4 " , PF 6 ⁇ , CH 3 COO “ , N (SO 2 CF 3 ) 2 " , CF 3 SO 3 " , CH 3 SO 3 “ , CF 3 COC> -, (CH 3 0) (H) PO 2 " , N (CN) 2 R 1 and R 4 are identical or different and chosen independently from the group consisting of -CH 2 -, an alkyl chain preferably comprising from 1 to 6 carbon atoms, linear or branched, cyclic or acyclic,
  • R 7 and R 8 are identical or different and independently selected from the group consisting of -H, -CH 3 , a halide, an alkyl chain preferably comprising from 2 to 8 carbon atoms, linear or branched, optionally containing a or more heteroatoms, advantageously chosen from O, S and N.
  • R 7 and R 8 are chosen so as to promote the stability of the diazonium functions.
  • substitute aromatic rings with R 7 and R 8 groups methoxy or ethoxy, in the ortho- and / or meta position with respect to the diazonium functional groups.
  • R 7 and R 8 may advantageously be identical and preferably represent a hydrogen atom.
  • a bis-diazonium salt of formula (5) can be obtained according to a synthesis method comprising three steps.
  • a first step consists in adding a polyether via one or two hydroxyl functions to nitro-bromomethylbenzene, preferably 4-nitro-1-bromomethylbenzene, according to the following reaction scheme (1):
  • the reaction step (1) makes it possible to add the benzyl group of 4-nitro-1-bromomethylbenzene at each end of a dihydroxylated polyether via the two free hydroxyl functional groups of the polyether chain.
  • a polyether chain having a nitrobenzene group at each of its ends By choosing different starting dihydroxy polyethers, that is to say by choosing the value of n, m and p appropriately, it is easy to vary the length and the nature of the polyether chain separating the two apolar aromatic rings located at ends of the polyether thus formed.
  • nature is meant the hydrophilic / hydrophobic character of the polyether chain and its solvating character vis-à-vis the lithium.
  • a second step consists in reducing the nitro group of the aromatic rings of the polyether obtained in an amino group, according to any known method, at the end of the first step.
  • This step may, for example, be carried out by a conventional reduction using hydrazine, catalyzed by palladium carbonaceous, denoted Pd-C.
  • a third step consists of a diazotization reaction according to any known process, which makes it possible to convert the two amino groups into diazonium groups.
  • the diazotization reaction is carried out, for example, by adding tetrafluoroboric acid and isoamyl nitrite to the polyether diamine obtained in the second step described above. There is then obtained a bis-diazonium salt of general formula (5) in which X " represents the counterion tetrafluoroborate BF 4 " .
  • Oxide Ag 2 0 and excess silver bromide AgBr product are removed by filtration or centrifugation in dichloromethane wherein the nitro compound is soluble. After purification on a silica column with a dichloromethane / methanol mixture, 7.5 g (0.0178 mol) of pure, dry bis (4-nitrobenzyl) -trioxyethylene are obtained with a yield of 74%.
  • the resulting bis (4-diazoniumbenzyl) -trioxyethylene tetrafluoroborate salt is almost pure.
  • the traces of possible impurities may possibly be eliminated by additional successive purification operations according to common practices in the field of chemical synthesis.
  • a diazonium salt, denoted DS5 was also synthesized.
  • diazonium salt whose diazonium function is in position on the aromatic hydrocarbon group of A and, optionally, of A '
  • the subject of the invention is not limited to at this position. It can also be envisaged to produce a salt of diazonium whose diazonium function (s) are in the ortho- or meta- position according to a synthetic method similar to that described above, by choosing appropriate starting materials.
  • An electrolytic solution comprising the diazonium salt described above may advantageously be used in a non-charged lithium-ion battery so as to form a passivation layer on an electrode of the lithium-ion battery, during the first charge.
  • an electrode of a lithium-ion accumulator is passivated by electrochemical reduction of an initial electrolytic solution containing the diazonium salt described above.
  • the lithium-ion accumulator comprises first and second electrodes isolated from each other by a separator.
  • the separator may be a microporous film made of polyethylene or polypropylene, cellulose or polyvinylidene fluoride impregnated with an electrolytic solution.
  • the first electrode is preferably constituted by a material chosen from metals and their alloys, carbon, semiconductors and lithium insertion materials.
  • the first electrode constituting the negative electrode may, for example, be based on Li 4 Ti 5 0 12 , Li 3 Fe 2 (PO 4) 3 or TiO 2 , or a mixture of these materials and optionally supported by a copper strip .
  • the second electrode constituting the positive electrode may, for example, be based on LiCoO 2 , LiMn 2 O 4 , LiFePO 4 , Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 or other lamellar oxides such as LiNiCoA10 2 and its derivatives, and possibly supported by an aluminum strip.
  • the following positive and negative electrode pairs may be mentioned: LiMn 2 O 4 / Li 3 Fe 2 (PO 4 ) 3 , LiCoO 2 / Li 4 Ti 5 O 12 , LiCoO 2 / LiTi 2 (PO 4 ) 3 , LiFePO 4 / Li 4 Ti 5 O 12 , Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 / Li 4 Ti 5 O 12 .
  • the first and second electrodes are separated by a final electrolytic solution.
  • final electrolytic solution is meant the electrolytic solution present in the lithium-ion battery, after having made a first charge of the lithium-ion battery containing the initial electrolytic solution.
  • the Lithium-Ion accumulator containing the initial electrolytic solution is unchanged, that is to say has not been subjected to any charge.
  • the initial or final electrolyte solution is preferably an aqueous solution.
  • the initial or final electrolytic solution advantageously comprises a salt whose cation is at least partly lithium ion Li + dissolved in a solvent or a mixture of solvents.
  • the solvent is preferably an aqueous solvent.
  • aqueous solvent is meant a solvent containing mainly water.
  • the salt must, advantageously, withstand the operating voltage of the lithium-ion accumulator formed.
  • the lithium salt can be, typically, lithium nitrate, LiNO 3 .
  • the first electrode is covered by a passivation layer.
  • the passivation layer is remarkable in that it comprises a compound consisting of the repetition of a unit of formula (7) according to:
  • n is an integer between 1 and 10, preferably between 1 and 4,
  • R 1 is selected from the group consisting of -CH 2 -, an alkyl chain preferably comprising from 1 to 6 carbon atoms, linear or branched, cyclic or acyclic
  • R 2 is selected from the group consisting of -CH 2 an alkyl chain preferably comprising from 2 to 6 carbon atoms, linear or branched, cyclic or acyclic, for example a methylene-ethylene-n-propylene-isopropylene-n-butylene group; -, tert-butylene-, sec-butylene- or n-pentylene-
  • R 3 is selected from the group consisting of -CH 3 , an alkyl chain preferably comprising from 2 to 6 carbon atoms, linear or branched, cyclic or acyclic and a group of formula (8) below:
  • a ' is an aromatic hydrocarbon group, mono or polycyclic, selected from the group consisting of phenyl, aryl groups, condensed polyaromatic groups, optionally substituted,
  • R4 is selected from the group consisting of -CH 2 -, an alkyl chain preferably comprising from 2 to 8 carbon atoms, linear or branched, cyclic or acyclic, and
  • A is identical to or different from A 'and represents an aromatic hydrocarbon group, mono or polycyclic, selected from the group consisting of phenyl, aryl groups, condensed polyaromatic groups, optionally substituted.
  • a and / or A ' is an aryl group
  • an aryl group comprising from 6 to 9 carbon atoms, for example a phenyl, tolyl, xylyl or trimethylphenyl group
  • a and / or A ' is a condensed polyaromatic group
  • a polyaromatic group comprising from 10 to 45 carbon atoms, optionally substituted by one or more groups selected from the group consisting of -H, will preferably be selected.
  • the unit is devoid of hydroxyl functions to form a barrier at the entry of water and comprises at least one polyether chain promoting the interactions between the passivation film formed on the first electrode and the cation, preferably Li + , present in the the final electrolytic solution.
  • the hatched portion corresponds to the surface of the electrode.
  • the pattern is grafted onto the first electrode by the group A and when R 3 is a group of formula (8), by the two groups A and A '.
  • the pattern is grafted to the material of the first electrode via an aromatic hydrocarbon ring of the group A and, when R 3 is a group of formula (8), by an aromatic hydrocarbon ring of each of the groups A and A ' the bond connecting the first electrode and the pattern being a C-aromatic / metal or C-aromatic / carbon covalent bond.
  • the presence of a polyether chain has a solvating effect of lithium ions Li + important that promotes the passage of lithium ions through the passivation layer, to be inserted in the first electrode.
  • the kinetics of the insertion and de-insertion reactions of the Li + ions in the material of the first electrode are not, therefore, significantly slowed down.
  • the apolar aromatic rings of the units create a hydrophobic zone near the surface of the first electrode.
  • This hydrophobic zone limits the approach of water or, advantageously, can prevent the water from reaching the first electrode.
  • the water reduction reaction which affects, in particular, the performance of a lithium-ion battery with an aqueous electrolyte is then strongly limited or even completely suppressed, at the operating potential of the first electrode thanks to the presence of this layer of water. passivation.
  • Polyether chains which are suitable for solvating the cations of the final electrolytic solution, for example Li + ions, will therefore preferably be chosen.
  • R 1 and R 4 are identical and each of R 1 and R 4 may, for example, represent a group -CH 2 -, to obtain a polyether chain in benzyl position.
  • the pattern may form a bridge structure on the surface of the first electrode.
  • R 3 is, advantageously, a group of formula (8).
  • the bridge structure on the surface of the first electrode makes it possible to orient the polar polyether chain, aprotic, towards the final electrolyte solution of the charged lithium-ion battery.
  • a and A ' may be identical or different and chosen from phenyl, anthracenyl and naphthalenyl groups, optionally substituted, preferably, with one or more groups selected from the group consisting of -H, -CH 3 , a halide, a linear or branched alkyl chain comprising 2 and 8 carbon atoms and, optionally, one or more heteroatoms selected from O, S and N.
  • the pattern of the passivation layer may advantageously be represented by the following eneral formula (9):
  • n is an integer between 1 and 10, preferably between 1 and 4,
  • n 0 or 1
  • p is an integer between 1 and 5, advantageously equal to 2
  • R 1 and R 4 are identical or different and independently selected from the group consisting of -CH 2 -, an alkyl chain preferably comprising from 1 to 6 carbon atoms, linear or branched, cyclic or acyclic,
  • R 7 and R 8 are identical or different and independently selected from the group consisting of -H, -CH 3 , a halide, an alkyl chain preferably comprising from 2 to 8 carbon atoms, linear or branched, optionally containing a or more heteroatoms advantageously chosen from O, S and N.
  • the pattern of the passivation layer is represented by the following general formula (10):
  • n is an integer between 1 and 10, preferably between 1 and 4,
  • n 0 or 1
  • p is an integer between 1 and 5, advantageously equal to 2,
  • R 1 and R 4 are identical or different and independently selected from the group consisting of -CH 2 -, an alkyl chain preferably comprising from 1 to 6 carbon atoms, linear or branched, cyclic or acyclic,
  • R 7 and R 8 are identical or different and independently selected from the group consisting of -H, -CH 3 , a halide, an alkyl chain preferably comprising from 2 to 8 carbon atoms, linear or branched, optionally containing a or more heteroatoms advantageously chosen from O, S and N.
  • R 7 and R 8 are preferably identical and represent a hydrogen atom, -H.
  • a method for producing a lithium-ion battery comprises a step of forming, according to any known method, an electrochemical cell comprising the first and second electrodes separated by an initial electrolytic solution.
  • the initial electrolytic solution comprises a diazonium salt free of hydroxyl functions and of the general formula (11) below: ⁇ - + N ⁇ N- Ri- A- (OR 2) n - OR 3
  • n is an integer between 1 and 10, preferably between 1 and 4,
  • X " represents a counterion of the diazonium cation chosen from halides, BF 4 " ,
  • R 1 and R 2 are identical or different and independently selected from the group consisting of -CH 2 -, an alkyl chain preferably comprising from 1 to 8 carbon atoms, linear or branched, cyclic or acyclic,
  • R 3 is selected from the group consisting of -CH 3 , an alkyl chain comprising, preferably, from 2 to 8 carbon atoms, linear or branched, cyclic or acyclic and a group of formula (12) below: in which
  • a ' is an aromatic hydrocarbon group, mono or polycyclic, selected from the group consisting of phenyl, aryl groups, condensed polyaromatic groups, optionally substituted
  • R4 is selected from the group consisting of -CH 2 -, an alkyl chain preferably comprising from 2 to 8 carbon atoms, linear or branched, cyclic or acyclic, and
  • A is identical to or different from A 'and represents an aromatic hydrocarbon group, mono or polycyclic, selected from the group consisting of phenyl, aryl groups, condensed polyaromatic groups, optionally substituted.
  • a and / or A ' is an aryl group
  • an aryl group comprising from 6 to 9 carbon atoms, for example a phenyl, tolyl, xylyl or trimethylphenyl group, will preferably be chosen.
  • a and / or A ' is a condensed polyaromatic group
  • a polyaromatic group comprising from 10 to 45 carbon atoms, optionally substituted by one or more groups selected from the group consisting of -H
  • -CH3 a halide, an alkyl chain, linear or branched, comprising from 2 to 8 carbon atoms and, optionally, one or more heteroatoms selected from O, S and N.
  • the first step of assembly of the Electrochemical cell advantageously makes it possible to produce an uncharged lithium-ion accumulator forming the electrochemical cell.
  • the first electrode is preferably the negative electrode where the water reduction reaction takes place.
  • the step of assembling the electrochemical cell is followed by a step of forming the passivation layer on the first electrode of the electrochemical cell, by electrochemical reduction of the initial electrolytic solution.
  • the groups A and A 'are preferably chosen for their stability properties, in particular electrochemical properties, at the reduction potential of the diazonium salt.
  • the aromatic hydrocarbon ring (s) of A and A 'are advantageously not substituted, to avoid steric hindrance problems that may affect the grafting efficiency of the diazonium salt on the first electrode.
  • the electrochemical reduction step makes it possible to form in situ the passivation layer on the first electrode, during a first charge of the cell of the lithium-ion accumulator.
  • the non-charged Lithium-on accumulator formed at the end of the first step of the process is subjected to an operating voltage during the first charge of the lithium-ion battery, according to any known method.
  • the first charge allows both the insertion of lithium into the material of the first electrode and the reduction of the diazonium salt present in the initial electrolytic solution.
  • the first charge carries out the grafting of at least one aromatic hydrocarbon ring of the group A and / or A 'of the diazonium salt of formula (11) on the first electrode.
  • the diazonium salt is consumed during the first charge in proportion to the creation of the passivation layer on the first electrode.
  • the step of forming the passivation layer preferably comprises the creation of a covalent bond of C-aryl / metal or C-aryl / carbon type between an aromatic hydrocarbon ring of the group A and the material of the first electrode. and an aromatic hydrocarbon ring of the group A 'and the material of the first electrode, when R 3 is a group of formula (8) in the unit constituting the passivation layer.
  • the lithium-ion battery comprises the first electrode covered by the passivation layer described above and a final electrolytic solution separating the first and second electrodes. At the end of the first charge, all the diazonium salt has preferably been consumed and the final electrolyte solution is then free of the diazonium salt.
  • the diazonium salt may advantageously be present in the initial electrolytic solution at a molar concentration of less than 0.5M, preferably of between 0.05M and 0.3M.
  • Passivation of a passivated LiFePO 4 electrode by electrochemical reduction of an aqueous initial electrolytic solution was carried out by cyclic voltammetry.
  • passivation means that the electrode is covered by a passivation layer as described above.
  • the initial electrolytic solution consists of 10 ml of an aqueous solution of a LiNO 3 salt at a concentration of 5M and a bis (4-diazoniumbenzyl) -trioxyethylene tetrafluoroborate salt, denoted DS3, as synthesized in FIG. Example 1 at a concentration of 2mM.
  • the LiFePO 4 electrode is made on a current collector according to any known method.
  • an ink is constituted by a mixture of LiFePO 4 forming the insertion material, carbon forming a conductive additive and polymeric binders forming a binder.
  • the ink is coated on a collector, for example nickel, and then dried to form the LiFePO 4 electrode.
  • the LiFePO 4 electrode is then calendered and cut, for use in a conventional cyclic voltammetry circuit.
  • the cyclic voltammetry was performed according to a conventional argon assembly with the initial electrolytic solution described above and three electrodes including the LiFePO 4 electrode as described above, denoted D 1? constituting a working electrode, a saturated calomel electrode constituting the reference electrode and a platinum wire, for the counter-electrode.
  • D 2 is a passivated LiFePO 4 electrode according to the same operating procedure as above but with a 4-methoxybenzenediazonium tetrafluoroborate salt, denoted S 2 , marketed by Sigma-Aldrich, and the other, denoted D 0 , is a bare LiFePO 4 electrode, that is to say devoid of a passivation layer obtained according to the same protocol but without adding a diazonium salt in the initial electrolytic solution.
  • S 2 4-methoxybenzenediazonium tetrafluoroborate salt
  • D 0 is a bare LiFePO 4 electrode, that is to say devoid of a passivation layer obtained according to the same protocol but without adding a diazonium salt in the initial electrolytic solution.
  • Infrared spectra were obtained after the voltammetry on the electrodes ⁇ ⁇ and D 2; to confirm the formation of the passivation layer by verifying that the diazonium DS3 and S 2 aryl salts have been grafted, respectively, Dj and D2.
  • the IR spectra shown in FIG. 3 were obtained by a Total Attenuated Reflection method (denoted ATR) on the DS3 diazonium salt alone and on the D 0 electrodes and the du ⁇ spectrum analysis compared to the DS3 and D spectra.
  • 0 shows, indeed, the disappearance of a peak located at 2200 cm -1 characteristic of the diazonium function (dashed arrow in FIG. 3) and the appearance of a peak at 1600 cm -1 characteristic of an aromatic ring. substituted by an alkyl chain (solid arrow in Figure 3).
  • the electrodes Ci, C 2 , C 3 , C 4 , C 5 and C 6 were passivated according to the same operating procedure as for a LiFePO 4 electrode, respectively with S 2 , DS 2 , DS 3 , DS 5 , DS 6 and DS 7.
  • the electrode C0 is the non-passivated electrode.
  • the comparative tests show the improvement of the electrochemical stability of the aqueous electrolyte according to the invention.
  • the results particularly interesting for C 5 with a high surge of 290mV and a low current.
  • the aqueous electrolytic solution for an electrochemical generator, in particular for a lithium-ion battery, containing an aryl diazonium salt according to the invention is stable up to a high operating voltage.
  • the presence of an aryl diazonium salt in the initial electrolytic solution makes it possible to widen the window of stability of the water as a function of the pH, by increasing in particular the reduction potential of the water.

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Abstract

L'invention concerne un sel d'aryle diazonium dépourvu de fonctions hydroxyle de formule générale (1) dans laquelle n est un entier compris entre 1 et 10, de préférence entre 1 et 4, X" représente un contre-ion du cation diazonium choisi parmi les halogénures, BF4 -, NO3 -, HSO4 -, PF6 -, CH3COO-, N(SO2CF3)2 -, CF3SO3 -, CH3SO3 -, CF3COO-, (CH3O)(H)PO2 -, N(CN)2 -, R1, R2 et R4 sont identiques ou différents et choisis indépendamment parmi le groupe constitué par -CH2-, une chaîne alkyle, linéaire ou ramifiée, cyclique ou acyclique et, A' et A' sont identiques ou différents et représentent indépendamment un groupement hydrocarboné aromatique, mono ou polycyclique, choisi parmi le groupe constitué par le phényle, les groupements aryles, les groupements polyaromatiques condensés, éventuellement substitués.

Description

Sel d'aryle diazonium et utilisation dans une solution électrolytique d'un générateur électrochimique
Domaine technique de l'invention
L'invention concerne un sel de diazonium et son utilisation dans une solution électrolytique d'un générateur électrochimique.
État de la technique
Les électrolytes utilisés pour les générateurs électrochimiques sont classiquement constitués d'un solvant et d'un sel électrolytique. Les générateurs électrochimiques regroupent les accumulateurs et les super-condensateurs. On définit un accumulateur comme un système de stockage d'énergie, utilisant des réactions électrochimiques afin de stocker et de restituer de l'énergie électrique. Les accumulateurs Li-ion utilisent généralement des électrolytes à base de solvants organiques contenant un sel de lithium dissous. Un super-condensateur est un condensateur électrochimique permettant de stocker une quantité d'énergie via des réactions d'adsorption en surface des matériaux d'électrodes et de restituer une densité de puissance, intermédiaire entre les batteries et les condensateurs électrolytiques classiques.
Des générateurs électrochimiques, en particulier des accumulateurs Lithium-ion, utilisant des électrolytes aqueux commencent, toutefois, à se développer.
Un accumulateur électrochimique aqueux est classiquement composé d'une électrode positive et d'une électrode négative, d'un séparateur poreux assurant l'isolation électronique entre les électrodes, positive et négative, d'un électrolyte à base d'eau dans lequel est dissous un ou des sels assurant la conductivité ionique. Les sels couramment employés sont, par exemple, H2S04 pour les accumulateurs au plomb, un mélange KOH-LiOH-NaOH pour les accumulateurs alcalins et un sel de lithium tels que LiN03, Li2S04, LiOH pour les accumulateurs aqueux au lithium. L'électrolyte imprègne tout ou partie de la porosité des électrodes et du séparateur. Chacune des électrodes positive et négative est composée d'un matériau actif, respectivement positif et négatif, d'un conducteur électronique comme le noir de carbone et les fibres de carbone, d'un épaississant et d'un liant.
Un super condensateur aqueux est classiquement composé de deux électrodes poreuses, intégrant soit des composés de type charbon actif à forte surface spécifique, soit des oxydes de métaux de transition de type Mn02, Ru02, Li4Ti50i2, Ti02, d'une membrane séparatrice poreuse entre les deux électrodes, d'un électrolyte aqueux dans lequel est dissous un ou des sels assurant la conductivité ionique tels que KOH, H2S04, KN03, LiN03, NaS04.
Les performances des générateurs électrochimiques peuvent être affectées par des phénomènes d'instabilité de l'électrolyte liquide organique ou aqueux lors du fonctionnement de l'accumulateur. L'électrolyte doit effectivement supporter la tension de fonctionnement de l'accumulateur qui est comprise entre 1 ,9V et 5 V selon le couple d'électrodes utilisées pour les électrolytes organiques et entre 1 ,2V et 2V pour les électrolytes aqueux. Pour des potentiels d'électrode supérieurs ou inférieurs à la stabilité de l'électrolyte, on observe des réactions parasites de décomposition de l'électrolyte catalysée à la surface des électrodes.
Le développement de solutions tendant à éliminer ou à diminuer ce phénomène de décomposition est particulièrement crucial, notamment, pour les accumulateurs Lithium-Ion à électrolyte aqueux pour lesquels ce phénomène est particulièrement contraignant.
Comme représenté à la figure 1 , la fenêtre de stabilité thermodynamique de l'eau en fonction du pH est de 1 ,23V et limite notablement le choix des matériaux actifs pour un tel générateur électrochimique. Ainsi, pour les matériaux actifs d'accumulateur Lithium-Ion ayant un potentiel d'insertion et désinsertion du lithium situé en dehors de la fenêtre de stabilité de l'eau, on observe la décomposition électrochimique de l'eau. En l'absence de phénomène de sur-tension, on observe l'oxydation de l'eau sur l'électrode positive pour des potentiels situés au-dessus de la droite représentée par un trait discontinu (en haut à la figure 1) et on observe la réduction de l'eau sur l'électrode négative pour des potentiels situés au-dessous de la droite représentée par un trait en pointillés (en bas à la figure 1). Les phénomènes de sur-tension liés à l'oxydation et à la réduction de l'eau sont faibles sur les matériaux d'insertion du lithium. La décomposition de l'eau est donc observée pour des potentiels proches de ceux fixés par la thermodynamique. La résolution de ce problème rendrait les générateurs électrochimiques à électrolyte aqueux attractifs. En particulier, ce problème constitue un verrou technologique pour le développement des accumulateurs Lithium-Ion à électrolyte aqueux. La levée de ce verrou technologique présente un grand intérêt pour les accumulateurs Lithium- Ion à électrolyte aqueux, notamment au niveau économique, sécuritaire et en matière de performances, comparativement aux accumulateurs Lithium-Ion à électrolyte organique qui en dépit d'une meilleure tension nominale, engendrent des coûts de production et de matières premières plus élevés et présentent des performances médiocres en forte puissance. Différentes voies ont été proposées pour éviter ou diminuer le phénomène de décomposition de l'électrolyte liquide. Les brevets JP-A-2000340256 et JP-A- 2000077073 exploitent, par exemple, les surtensions aux électrodes pour contrôler les réactions interfaciales. Une autre solution proposée consiste à passiver au moins une électrode de l'accumulateur Lithium-ion afin d'inhiber la dégradation de l'électrolyte liquide. Le document US-A-20090155696 propose de réaliser un film isolant sur l'électrode, par polymérisation d'un monomère présent dans l'électrolyte de l'accumulateur. Une autre voie consiste à former une couche de protection à la surface d'une d'électrode par greffage via un processus électrochimique du groupement aromatique d'un sel d'aryle diazonium permettant de modifier ou d'améliorer ainsi les propriétés physico-chimiques du matériau de l'électrode.
La formation d'une couche organique à la surface d'un matériau métallique, carboné ou d'un matériau d'insertion par réduction électrochimique d'un sel de diazonium a largement été décrite dans la littérature. Ce mécanisme de greffage a notamment été utilisé pour améliorer la résistance à la corrosion ou modifier la réactivité interfaciale d'électrodes.
Le mécanisme général de greffage par réduction électrochimique est représenté par la réaction suivante :
dans laquelle :
R est un substituant du groupement aryle, X un anion tel qu'un halogénure ou un ion BF4 ", C du carbone, SC un semi-conducteur et M un métal.
À titre d'exemple, Brooksby, P.A. et al. ont décrit dans l'article "Electrochemical and Atomic Force Microscopy Study of Carbon Surface Modification via Diazonium Réduction in Aqueous and Acetonitrile Solutions", (Langmuir, 2004, 20, P.5038- 5045), une étude concernant la réduction électrochimique des sels de 4-nitrobenzène- diazonium et 4-nitroazobenzène-4'-diazonium en milieu acide et acétonitrile, à la surface d'un substrat recouvert d'une résine photosensible. Les auteurs ont mis en évidence la création d'une liaison covalente carbone-carbone (substrat/produit organique) et l'influence de plusieurs paramètres tels que la durée de l'étape de réduction électrochimique, le potentiel appliqué, le type de substrat, la concentration en sels de diazonium et les groupements chimiques portés par ce sel sur l'épaisseur et la structure du film ainsi formé. Récemment, des travaux de Tanguy, F. et al. ont proposé de réaliser une couche de passivation sur des électrodes positives de batterie Lithium-ion à base d'oxyde, par greffage d'un sel d'aryle diazonium. Dans l'article "Lowering interfacial chemical reactivity of oxide materials for lithium batteries. A molecular grafting approach", (Journal of Materials Chemistry, 2009, n° 19, P.4771-4777), Tanguy, F. a montré que le sel de 4-nitro-benzènediazonium-tétrafluoroborate (N02C6H4N2 +BF4 ") dissous dans un électrolyte organique d'éthylcarbonate-diméthylcarbonate (EC-DMC-LiF6) forme une couche organique à la surface d'une l'électrode Li1.iV308 par chimiosorption. Le greffage par réduction électrochimique du sel de diazonium à la surface de l'électrode positive de Li]jV308 se déroule lorsque l'on impose à l'électrode un potentiel inférieur au potentiel de réduction du sel de diazonium. La présence d'une couche organique obtenue par un tel procédé ne limite pas le transfert de charge de l'électrode et inhibe fortement la décomposition de l'électrolyte organique catalysée à la surface de l'électrode.
Objet de l'invention
L'objet de l'invention a pour but de proposer une alternative au sel de diazonium connu.
L'invention a également pour but de proposer une solution électrolytique améliorée, pour générateur électrochimique, remédiant notamment aux inconvénients de l'art antérieur.
En particulier, l'objet de l'invention a pour but une solution électrolytique aqueuse pour accumulateur Lithium-Ion stable jusqu'à une tension de fonctionnement élevée et ayant une fenêtre de stabilité en fonction du pH plus large que celle des solutions électrolytiques aqueuses d'un accumulateur Lithium-Ion de l'art antérieur.
Selon l'invention, ce but est atteint par un sel de diazonium et l'utilisation d'un tel sel selon les revendications annexées. Description sommaire des dessins
D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels :
La figure 1 correspond à un diagramme de stabilité de l'eau représentant la tension nominale de l'eau en fonction du pH ainsi que les potentiels d'insertion et de désinsertion de différents matériaux actifs d'électrode d'accumulateur Lithium-Ion.
La figure 2 représente un spectre RMN Ή (300 12 MHz) d'un sel de diazonium selon l'invention dans de l'acétonitrile (dH = 1,94 ppm), réalisé avec un spectromètre Bruker Avance 300 avec sonde QNP 5mm.
La figure 3 représente la superposition de trois spectres obtenus selon une méthode de Réflexion Totale Atténuée (ATR), d'un échantillon d'un sel de diazonium selon l'invention, noté DS3, d'un échantillon d'une électrode LiFePC^ recouverte d'une couche de passivation selon l'invention, notée D1; et d'un échantillon comparatif d'une électrode LiFeP04 nue, notée D0.
La figure 4 représente la superposition de trois spectres infrarouge obtenus selon une méthode ATR, d'un échantillon d'un sel de diazonium, noté S2, et de deux échantillons comparatifs, respectivement, de l'électrode D0 nue et d'une électrode passivée avec le sel S2, notée D2.
La figure 5 représente trois courbes de voltammétrie cyclique obtenues pour une cellule électrochimique comportant, respectivement, l'électrode D0, ΐ)ι et D2 dans un électrolyte aqueux L1NO3 5M. Description de modes particuliers de réalisation.
Il est proposé une famille de sels de diazonium particulièrement avantageux pour une utilisation dans une solution électrolytique initiale d'un générateur électrochimique c'est-à-dire d'un super-condensateur ou d'un accumulateur.
On entend par solution électrolytique "initiale" d'un générateur électrochimique, une solution électrolytique présente dans le générateur électrochimique avant la première charge de ce générateur. Les solutions électrolytiques initiales contenant de tels sels sont plus stables que celles de l'art antérieur et participent à l'amélioration des performances du générateur, en particulier, d'un accumulateur Lithium-Ion.
L'amélioration est particulièrement significative dans le cas d'une utilisation dans une solution électrolytique aqueuse. En effet, il a été constaté de façon surprenante que cette famille de sels de diazonium ralentit, notablement, la cinétique d'oxydation et de réduction de l'eau sur les électrodes du générateur électrochimique sans néanmoins affecter les performances du générateur électrochimique et, en particulier, sans limiter les cinétiques de transferts de charge associés à l'insertion /désinsertion du cation lithium dans le matériau d'intercalation d'un accumulateur Lithium-Ion.
Selon un mode de réalisation particulier, le sel de diazonium a la formule générale (1) suivante :
χ - +N≡N— A— Ri— ( OR2 )n— OR3 0)
dans laquelle
n est un entier compris entre 1 et 10, de préférence entre 1 et 4,
X" représente un contre-ion du cation diazonium choisi parmi les halogénures, BF4 ",
N03 ", HS04\ PF6 ", CH3COCT, N(S02CF3)2-, CF3S03\ CH3S03 ", CF3COO", (CH30)(H)P02-, N(CN)2\
Ri est choisi parmi le groupe constitué par -CH2-, une chaîne alkyle comprenant, de préférence, de 1 à 6 atomes de carbone, linéaire ou ramifiée, cyclique ou acyclique, R2 est choisi parmi le groupe constitué par -CH2-, une chaîne alkyle comprenant, de préférence, de 2 à 6 atomes de carbone, linéaire ou ramifiée, cyclique ou acyclique, de préférence, un groupement méthylène-, éthylène-, n-propylène-, iso-propylène-, n-butylène-, tert-butylène-, sec-butylène- et n-pentylène-,
R3 est choisi parmi le groupe constitué par -CH3, une chaîne alkyle comprenant, de préférence, de 2 à 6 atomes de carbone, linéaire ou ramifiée, cyclique ou acyclique et un groupement de formule (2) suivante :
dans laquelle A' est un groupement hydrocarboné aromatique, mono ou polycyclique, choisi parmi le groupe constitué par le phényle, les groupements aryles, les groupements polyaromatiques condensés, éventuellement substitués,
R est choisi parmi le groupe constitué par -CH2-, une chaîne alkyle comprenant, de préférence, de 2 à 8 atomes de carbone, linéaire ou ramifiée, cyclique ou acyclique et,
A est identique ou différent de A' et représente un groupement hydrocarboné aromatique, mono ou polycyclique, choisi parmi le groupe constitué par le phényle, les groupements aryles, les groupements polyaromatiques condensés, éventuellement substitués, à l'exception du groupement de formule (3), représentée ci-après, lorsque R3 est choisi parmi le groupe constitué par -CH3, une chaîne alkyle, linéaire ou ramifiée, cyclique ou acyclique :
dans laquelle
R5 et ¾ sont identiques ou différents et choisis indépendamment parmi le groupe constitué par -CH3, un groupement alkyle, linéaire ou ramifié, cyclique ou acyclique.
On entend par un groupement aryle, un système aromatique ayant un ou plusieurs cycles aromatiques, éventuellement, substitués.
Lorsque A et/ou A' est un groupement aryle, on choisira de préférence, un groupement aryle comprenant de 6 à 9 atomes de carbone, par exemple, un groupement phényle, tolyle, xylyle, triméthyl-phényle. Dans tous les cas, la fonction diazonium est portée sur le cycle aromatique du groupement aryle. On entend par groupement polyaromatique condensé, un système aromatique polycyclique formé de plusieurs noyaux benzéniques fusionnés. La fonction diazonium peut être portée sur n'importe lequel des cycles aromatiques du groupement polyaromatique condensé.
Lorsque A et/ou A' est un groupement polyaromatique condensé, on choisira, de préférence, un groupement polyaromatique comprenant de 10 à 45 atomes de carbone, éventuellement substitué par un ou plusieurs groupements choisis parmi le groupe constitué par -H, -CH3, un halogénure, une chaîne alkyle, linéaire ou ramifiée, comprenant de 2 à 8 atomes de carbone et, éventuellement, un ou plusieurs hétéroatomes choisi(s) parmi O, S et N.
Le sel de diazonium est dépourvu de fonctions hydroxyle de manière à minimiser l'affinité du sel de diazonium avec l'eau de la solution électrolytique, par exemple, en évitant la création de liaisons de type Van der Waals et/ou hydrogène. En particulier, Rls R2 et R3 sont avantageusement dépourvus de fonctions hydroxyle afin d'obtenir un sel de diazonium ayant une partie apolaire A et A' contenant le groupement hydrocarboné aromatique et une partie polaire, aprotique, constituée par une chaîne polyéther.
Par ailleurs, A et A' peuvent être identiques ou différents et choisis parmi les groupements phényles, anthracényle et naphtalényle, éventuellement substitués, de préférence par un ou plusieurs groupements choisi(s) parmi le groupe constitué par -H, -CH3, un halogénure, une chaîne alkyle, linéaire ou ramifié, comprenant de 2 et 8 atomes de carbone et, éventuellement, un ou plusieurs hétéroatomes choisi(s) parmi O, S et N.
Selon un mode de réalisation particulier, le sel de diazonium peut, avantageusement, être un sel de bis-diazonium de formule (1) dans laquelle R3 est un groupement de formule (2). Le sel de diazonium peut, par exemple, être un sel de bis-diazonium de formule générale (4) suivante :
dans laquelle :
n est un entier compris entre 1 et 10, de préférence entre 1 et 4,
m est égal à 0 ou 1 ,
p est un entier compris entre 1 et 5, avantageusement égal à 2,
X" et Y" sont identiques ou différents et représentent, indépendamment, un contre-ion du cation diazonium choisi parmi les halogénures, BF4 ~, N03 ", HS04 ", PF6 ", CH3COO\ N(S02CF3)2 ", CF3S03 ", CH3S03\ CF3COO\ (CH30)(H)P02\ N(CN)2 ", Ri et R4 sont identiques ou différents et choisis indépendamment parmi le groupe constitué par -CH2-, une chaîne alkyle comprenant, de préférence, de 1 à 6 atomes de carbone, linéaire ou ramifiée, cyclique ou acyclique,
R7 et R8 sont identiques ou différents et choisis indépendamment parmi le groupe constitué par -H, -CH3, un halogénure, une chaîne alkyle comprenant, de préférence, de 2 à 8 atomes de carbone, linéaire ou ramifié, contenant éventuellement un ou plusieurs hétéroatomes, avantageusement choisi(s) parmi O, S et N.
Le sel de bis-diazonium possède, avantageusement, une chaîne polyéther permettant de solvater les cations, en particulier les ions Li+. La chaîne polyéther est, avantageusement, un poly(oxyéthylène). Ainsi, dans la formule (4) décrite ci-dessus, m est de préférence égal à 0 et p compris entre 2 et 4, avantageusement égal à 2. De même, la chaîne polyéther située entre les groupements aromatiques de A et A' est, de préférence, en position benzylique. Pour ce faire, chacun des R\ et R4 représente, avantageusement, un groupement -CH2-, respectivement, dans les formules (1) et (2).
Selon un autre mode de réalisation particulier, la chaîne polyéther est, avantageusement en position para- par rapport aux fonctions diazonium. Le sel de diazonium a une formule énérale (5) suivante :
dans laquelle :
n est un entier compris entre 1 et 10, de préférence entre 1 et 4,
m est égal à 0 ou 1,
p est un entier compris entre 1 et 5, avantageusement égal à 2,
X" et Y" sont identiques ou différents et représentent, indépendamment, un contre-ion du cation diazonium choisi parmi les halogénures, BF4 ", N03 ", HS04 ", PF6 ~, CH3COO", N(S02CF3)2 ", CF3S03 ", CH3S03 ", CF3COC>-, (CH30)(H)P02 ", N(CN)2\ Ri et R4 sont identiques ou différents et choisis indépendamment parmi le groupe constitué par -CH2-, une chaîne alkyle comprenant, de préférence, de 1 à 6 atomes de carbone, linéaire ou ramifiée, cyclique ou acyclique,
R7 et R8 sont identiques ou différents et choisis indépendamment parmi le groupe constitué par -H, -CH3, un halogénure, une chaîne alkyle comprenant, de préférence, de 2 à 8 atomes de carbone, linéaire ou ramifié, contenant éventuellement un ou plusieurs hétéroatomes, avantageusement choisi(s) parmi O, S et N. R7 et R8 sont choisis de manière à favoriser la stabilité des fonctions diazonium. On évitera, par exemple, de substituer les cycles aromatiques avec des groupements R7 et R8, méthoxy ou éthoxy, en position ortho- et/ou méta par rapport aux fonctions diazonium. Dans la formule (5), R7 et R8 peuvent, avantageusement, être identiques et représenter, de préférence, un atome d'hydrogène.
Un sel de bis-diazonium de formule (5) peut être obtenu suivant une méthode de synthèse comportant trois étapes. Une première étape consiste à additionner un polyéther via une ou deux fonctions hydroxyles sur le nitro-bromométhyl-benzène, de préférence le 4-nitro-l-bromométhyl-benzène, selon le schéma réactionnel (1) suivant :
L'étape réactionnelle (1) permet d'additionner le groupement benzylique du 4-nitro- l-bromométhyl-benzène à chaque extrémité d'un polyéther dihydroxylé par l'intermédiaire des deux fonctions hydroxyle libres de la chaîne polyéther. On obtient alors une chaîne polyéther ayant un groupement nitrobenzène à chacune de ses extrémités. En choisissant différents polyéthers dihydroxylés de départ c'est-à-dire en choisissant la valeur de n, m et p de façon appropriée, on peut facilement faire varier la longueur et la nature de la chaîne polyéther séparant les deux cycles aromatiques apolaires situés aux extrémités du polyéther ainsi formé. On entend par "nature" le caractère hydrophile/hydrophobe de la chaîne polyéther et son caractère solvatant vis-à-vis du Lithium.
Une seconde étape consiste à réduire le groupement nitro des cycles aromatiques du polyéther obtenu en groupement amino, selon tout procédé connu, à l'issue de la première étape. Cette étape peut, par exemple, être réalisée par une réduction classique utilisant l'hydrazine, catalysée par du palladium carboné, noté Pd-C.
On obtient alors le composé de formule générale (6) suivante :
Une troisième étape consiste en une réaction de diazotation selon tout procédé connu, qui permet de transformer les deux groupements amino en groupements diazonium. La réaction de diazotation est réalisée, par exemple, par addition d'acide tétrafluoroborique et de nitrite d'isoamyle au polyéther diaminé obtenu à la seconde étape décrite ci-dessus. On obtient alors un sel de bis-diazonium de formule générale (5) dans laquelle X" représente le contre-ion tétrafluoroborate BF4 ".
EXEMPLE I Dans la méthode de synthèse d'un sel de bis-diazonium, le sel du tétrafluoroborate de bis(4-diazoniumbenzyl)-trioxyéthylène, noté DS3, a été réalisée à partir du 4-nitro-l- bromométhyl-benzène et du triéthylène glycol selon le protocole décrit ci-après. Ce sel correspond au sel de bis-diazonium de la formule (5) dans laquelle n=3, p=2, m=0 et X" et Y" sont identiques et représentent l'ion BF4 ".
Etape 1 : synthèse du dérivé nitré
Tous les produits sont séchés préalablement soit sur tamis moléculaire pour le triéthylène glycol soit en température sous vide pour l'oxyde d'argent Ag20 et le 4- nitro-l -bromométhyl-benzène. Dans un ballon, on mélange 10,39 g de 4-nitro-l- bromométhyl-benzène (soit 0,0481 mol) et 3,61 g de triéthylène glycol (0,024 mol) dans 170 mL de dichlorométhane (CH2C12) sec, fraîchement distillé sur hydrure de calcium. On ajoute 22,2 g d'oxyde Ag20 en excès (0,096 mol). Le ballon est maintenu sous argon 48 heures à reflux dans le CH2C12. Du tamis moléculaire sec (séché sous vide à 300°C) est ajouté au milieu réactionnel, pour piéger l'eau qui se forme lors de la réaction.
L'oxyde Ag20 en excès et le bromure d'argent AgBr produit sont éliminés par filtration ou centrifugation dans le dichlorométhane où le composé nitré est soluble. Après purification sur colonne de silice avec un mélange dichlorométhane/méthanol, on obtient 7,5 g (0,0178 mol) de bis(4-nitrobenzyl)-trioxyéthylène pur et sec avec un rendement de 74 %.
Etape 2 : Réduction du dérivé nitré
Dans un ballon, 5 mmol de bis(4-nitrobenzyl)-trioxyéthylène obtenu précédemment sont mélangés à 10 mL d'hydrazine monohydrate, à 80 mL d'éthanol fraîchement distillé et à 0,05 g de palladium carboné (Pd-C) à 10%. Ce mélange est porté à reflux pendant 24 heures sous agitation puis filtré afin de retirer le Pd-C. Le filtrat obtenu est ensuite concentré à l'évaporateur rotatif afin de réduire son volume à quelques dizaines de millilitres. Le filtrat, une fois concentré, est purifié par extractions successives dans une ampoule à décanter par un mélange dichlorométhane/eau de manière à retirer toute trace d'hydrazine. Après séchage sous vide, on obtient du bis(4-aminobenzyl)-trioxyéthylène purifié avec un rendement de 80%, sous forme d'un liquide de couleur jaune pâle.
Etape 3 : Diazotation
Dans un erlenmeyer, on mélange 72,9 mmol de bis(4-aminobenzyl)-trioxyéthylène obtenu précédemment avec 364 mL d'éthanol distillé. On ajoute 438 mmol d'acide tétrafluoroborique. Le mélange est amené à 0°C à l'aide d'un bain de glace. Puis, on ajoute sous agitation magnétique, goutte-à-goutte, 438 mmol de nitrite d'isoamyle. L'ensemble est maintenu à 0°C, sous agitation, pendant 1 heure avec obtention d'une huile. De l'éther diéthylique est ajouté afin de précipiter le sel de tétrafluoroborate de bis(4-diazoniumbenzyl)-trioxyéthylène. Puis, le mélange est maintenu à 0°C, sous agitation magnétique, pendant 1 heure environ. Le mélange est alors placé au réfrigérateur pendant une nuit afin de compléter la précipitation. Après filtration, on obtient le sel de tétrafluoroborate de bis(4-diazoniumbenzyl)-trioxyéthylène avec un rendement de 70%.
Comme représenté sur la figure 2, le sel de tétrafluoroborate de bis(4- diazoniumbenzyl)-trioxyéthylène obtenu est quasiment pur. Les traces d'impuretés éventuelles peuvent, éventuellement, être éliminées par des opérations de purification successives additionnelles selon des pratiques courantes dans le domaine de la synthèse chimique.
Plusieurs sels de bis-diazonium ont été synthétisés selon le même mode opératoire en faisant varier la valeur n dans la formule (5) du sel de diazonium.
Un sel de diazonium, noté DS5, a également été synthétisé. DS5 a une structure de formule (1) avec A étant un groupement phényle, Ri un groupement -CH2-, R2 un groupement -CH2-CH2-, R3 un groupement -CH3 et n=l .
Les résultats ont été répertoriés dans le tableau I suivant
TABLEAU I
Bien que les modes de réalisation particuliers décrits ci-dessus décrivent un sel de diazonium dont la fonction diazonium est en position para- sur le groupement hydrocarboné aromatique de A et, éventuellement de A', l'objet de l'invention ne se limite pas à cette position. Il peut également être envisagé de réaliser un sel de diazonium dont la ou les fonctions diazonium sont en position ortho- ou méta- selon une méthode de synthèse similaire à celle décrite ci-dessus, en choisissant des produits de départ appropriés. Une solution électrolytique comportant le sel de diazonium décrit ci-dessus peut, avantageusement, être utilisée dans un accumulateur Lithium-Ion, non chargé, de manière à former une couche de passivation sur une électrode de l'accumulateur Lithium-ion, lors de la première charge. Selon un mode de réalisation particulier, une électrode d'un accumulateur Lithium- ion est passivée par réduction électrochimique d'une solution électrolytique initiale contenant le sel de diazonium décrit ci-dessus.
L'accumulateur Lithium-ion comporte des première et seconde électrodes isolées l'une de l'autre par un séparateur. Le séparateur peut être un film microporeux en polyéthylène ou en polypropylène, en cellulose ou en polyfluorure de vinylidène imprégné par une solution électrolytique.
La première électrode est, de préférence, constituée par un matériau choisi parmi les métaux et leurs alliages, le carbone, les semi-conducteurs et les matériaux d'insertion du lithium.
La première électrode constituant l'électrode négative peut, par exemple, être à base de Li4Ti5012, Li3Fe2(P04)3 ou Ti02, ou un mélange de ces matériaux et éventuellement supportée par un feuillard de cuivre. La seconde électrode constituant l'électrode positive peut, par exemple, être à base de LiCo02, LiMn204, LiFeP04, Li3V2(P04)3 ou d'autres oxydes lamellaires comme LiNiCoA102 et ses dérivés, et éventuellement supportée par un feuillard d'aluminium. À titre d'exemple, on peut citer les couples d'électrodes positive et négative suivants : LiMn2O4 / Li3Fe2(PO4)3, LiCoO2 / Li4Ti5012, LiCoO2 / LiTi2(PO4)3, LiFeP04 / Li4Ti5O12, Li3V2(PO4)3 / Li4Ti5O12. Les première et seconde électrodes sont séparées par une solution électrolytique finale. On entend par solution électrolytique "finale", la solution électrolytique présente dans l'accumulateur Lithium-Ion, après avoir réalisé une première charge de l'accumulateur Lithium-Ion contenant la solution électrolytique initiale. L'accumulateur Lithium-Ion contenant la solution électrolytique initiale est non- chagé c'est-à-dire n'a été soumis à aucune charge.
La solution électrolytique initiale ou finale est, de préférence, une solution aqueuse. La solution électrolytique initiale ou finale comporte, avantageusement, un sel dont le cation est au moins en partie l'ion lithium Li+ dissous dans un solvant ou un mélange de solvants. Le solvant est de préférence un solvant aqueux. On entend par solvant aqueux un solvant contenant majoritairement de l'eau.
Le sel doit, avantageusement, supporter la tension de fonctionnement de l'accumulateur Lithium-ion formé. Le sel de lithium peut être, classiquement, du nitrate de lithium, LiN03.
La première électrode est recouverte par une couche de passivation. La couche de passivation est remarquable en ce qu'elle comporte un composé constitué par la répétition d'un motif de formule (7) suivant :
dans laquelle
n est un entier compris entre 1 et 10, de préférence entre 1 et 4,
R\ est choisi parmi le groupe constitué par -CH2-, une chaîne alkyle comprenant, de préférence, de 1 à 6 atomes de carbone, linéaire ou ramifiée, cyclique ou acyclique, R2 est choisi parmi le groupe constitué par -CH2-, une chaîne alkyle comprenant, de préférence, de 2 à 6 atomes de carbone, linéaire ou ramifiée, cyclique ou acyclique, par exemple, un groupement méthylène-, éthylène-, n-propylène-, iso-propylène-, n- butylène-, tert-butylène-, sec-butylène- ou n-pentylène-, R3 est choisi parmi le groupe constitué par -CH3, une chaîne alkyle comprenant, de préférence, de 2 à 6 atomes de carbone, linéaire ou ramifiée, cyclique ou acyclique et un groupement de formule (8) suivante :
dans laquelle
A' est un groupement hydrocarboné aromatique, mono ou polycyclique, choisi parmi le groupe constitué par le phényle, les groupements aryles, les groupements polyaromatiques condensés, éventuellement substitués,
R4 est choisi parmi le groupe constitué par -CH2-, une chaîne alkyle comprenant, de préférence, de 2 à 8 atomes de carbone, linéaire ou ramifiée, cyclique ou acyclique et,
A est identique ou différent de A' et représente un groupement hydrocarboné aromatique, mono ou polycyclique, choisi parmi le groupe constitué par le phényle, les groupements aryles, les groupements polyaromatiques condensés, éventuellement substitués.
Lorsque A et/ou A' est un groupement aryle, on choisira de préférence un groupement aryle comprenant de 6 à 9 atomes de carbone , par exemple, un groupement phényle, tolyle, xylyle, triméthyl-phényle. Lorsque A et/ou A' est un groupement polyaromatique condensé, on choisira, de préférence, un groupement polyaromatique comprenant de 10 à 45 atomes de carbone, éventuellement, substitué par un ou plusieurs groupements choisi(s) parmi le groupe constitué par -H, -CH3, un halogénure, une chaîne alkyle, linéaire ou ramifiée, comprenant de 2 à 8 atomes de carbone et, éventuellement, un ou plusieurs hétéroatomes choisi(s) parmi O, S et N. Le motif est dépourvu de fonctions hydroxyle pour former une barrière à l'entrée de l'eau et comporte au moins une chaîne polyéther favorisant les interactions entre le film de passivation formé sur la première électrode et le cation, de préférence Li+, présent dans la solution électrolytique finale. Dans les formules 7, 8 et 9, il convient de signaler que la partie hachurée correspond à la surface de l'électrode.
En outre, le motif est greffé sur la première électrode par le groupement A et lorsque R3 est un groupement de formule (8), par les deux groupements A et A'. Le motif est greffé au matériau de la première électrode par l'intermédiaire d'un cycle hydrocarboné aromatique du groupement A et, lorsque R3 est un groupement de formule (8), par un cycle hydrocarboné aromatique de chacun des groupements A et A', la liaison reliant la première électrode et le motif étant une liaison covalente de type C-aromatique / métal ou C- aromatique /carbone.
La présence d'une chaîne polyéther a un effet solvatant des ions lithium Li+ important qui favorise le passage des ions lithium au travers de la couche de passivation, pour s'insérer dans la première électrode. Les cinétiques des réactions d'insertion et de désinsertion des ions Li+ dans le matériau de la première électrode ne sont pas, par conséquent, significativement ralenties.
Par ailleurs, les cycles aromatiques apolaires des motifs créent une zone hydrophobe à proximité de la surface de la première électrode. Cette zone hydrophobe limite l'approche de l'eau ou, avantageusement, peut empêcher l'eau d'atteindre la première électrode. La réaction de réduction de l'eau qui affecte, en particulier, les performances d'un accumulateur Lithium-Ion à électrolyte aqueux est alors fortement limitée voire totalement supprimée, au potentiel de fonctionnement de la première électrode grâce à la présence de cette couche de passivation. On choisira, par conséquent, de préférence des chaînes polyéthers aptes à solvater les cations de la solution électrolytique finale, par exemple, les ions Li+. En particulier, on choisira une chaîne polyéther ayant une conformation appropriée et/ou un nombre de fonction éther suffisant de manière à solvater les ions Li et/ou à créer une circulation sélective des ions Li+ à travers la couche de passivation, discriminante à l'encontre de l'eau. Selon un mode de réalisation particulier préférentiel, dans les formules (7) et (8), R\ et R4 sont identiques et chacun des Ri et R4 peut, par exemple, représenter un groupement -CH2-, pour obtenir une chaîne polyéther en position benzylique.
Selon un autre mode de réalisation particulier préférentiel, le motif peut former une structure en pont à la surface de la première électrode. Dans la formule (7), R3 est, avantageusement, un groupement de formule (8). La structure en pont à la surface de la première électrode permet d'orienter la chaîne polyéther polaire, aprotique, vers la solution électrolytique finale de l'accumulateur Lithium-Ion, chargé. A et A' peuvent être identiques ou différents et choisis parmi les groupements phényles, anthracényle et naphtalényle, éventuellement substitués, de préférence, par un ou plusieurs groupements choisi(s) parmi le groupe constitué par -H, -CH3, un halogénure, une chaîne alkyle, linéaire ou ramifié, comprenant de 2 et 8 atomes de carbone et, éventuellement, un ou plusieurs hétéroatomes choisi(s) parmi O, S et N.
Le motif de la couche de passivation, peut avantageusement, être représenté par la formule énérale (9) suivante :
dans laquelle :
n est un entier compris entre 1 et 10, de préférence entre 1 et 4,
m est égal à 0 ou 1, p est un entier compris entre 1 et 5, avantageusement égal à 2,
Ri et R4 sont identiques ou différents et choisis indépendamment parmi le groupe constitué par -CH2-, une chaîne alkyle comprenant, de préférence, de 1 à 6 atomes de carbone, linéaire ou ramifiée, cyclique ou acyclique,
R7 et R8 sont identiques ou différents et choisis indépendamment parmi le groupe constitué par -H, -CH3, un halogénure, une chaîne alkyle comprenant, de préférence, de 2 à 8 atomes de carbone, linéaire ou ramifié, contenant éventuellement un ou plusieurs hétéroatomes avantageusement choisi(s) parmi O, S et N. En particulier, le motif de la couche de passivation est représenté par la formule générale (10) suivante :
dans laquelle :
n est un entier compris entre 1 et 10, de préférence entre 1 et 4,
m est égal à 0 ou 1 ,
p est un entier compris entre 1 et 5, avantageusement égal à 2,
Ri et R4 sont identiques ou différents et choisis indépendamment parmi le groupe constitué par -CH2-, une chaîne alkyle comprenant, de préférence, de 1 à 6 atomes de carbone, linéaire ou ramifiée, cyclique ou acyclique,
R7 et R8 sont identiques ou différents et choisis indépendamment parmi le groupe constitué par -H, -CH3, un halogénure, une chaîne alkyle comprenant, de préférence, de 2 à 8 atomes de carbone, linéaire ou ramifié, contenant éventuellement un ou plusieurs hétéroatomes avantageusement choisi(s) parmi O, S et N. R7 et R8 sont, de préférence, identiques et représentent un atome hydrogène, -H.
Selon un mode de réalisation particulier, un procédé de réalisation d'un accumulateur Lithium-Ion comporte une étape de formation, selon tout procédé connu, d'une cellule électrochimique comportant les première et seconde électrodes séparées par une solution électrolytique initiale.
La solution électrolytique initiale comporte un sel de diazonium dépourvu de fonctions hydroxyle et de formule générale (11) suivante : χ - +N≡N— A— Ri— ( OR2 )n— OR3
(H) dans laquelle
n est un entier compris entre 1 et 10, de préférence entre 1 et 4,
X" représente un contre-ion du cation diazonium choisi parmi les halogénures, BF4 ",
N03 ", HS04 ", PF6 ", CH3COO", N(S02CF3)2\ CF3S03 ", CH3SO3", CF3COO\ (CH30)(H)P02 ", N(CN)2-,
Ri et R2 sont identiques ou différents et choisis indépendamment parmi le groupe constitué par -CH2-, une chaîne alkyle comprenant, de préférence, de 1 à 8 atomes de carbone, linéaire ou ramifiée, cyclique ou acyclique,
R3 est choisi parmi le groupe constitué par -CH3, une chaîne alkyle comprenant, de préférence, de 2 à 8 atomes de carbone, linéaire ou ramifiée, cyclique ou acyclique et un groupement de formule (12) suivante : dans laquelle
A' est un groupement hydrocarboné aromatique, mono ou polycyclique, choisi parmi le groupe constitué par le phényle, les groupements aryles, les groupements polyaromatiques condensés, éventuellement substitués, R4 est choisi parmi le groupe constitué par -CH2-, une chaîne alkyle comprenant, de préférence, de 2 à 8 atomes de carbone, linéaire ou ramifiée, cyclique ou acyclique et,
A est identique ou différent de A' et représente un groupement hydrocarboné aromatique, mono ou polycyclique, choisi parmi le groupe constitué par le phényle, les groupements aryles, les groupements polyaromatiques condensés, éventuellement substitués.
Lorsque A et/ou A' est un groupement aryle, on choisira de préférence un groupement aryle comprenant de 6 à 9 atomes de carbone, par exemple, un groupement phényle, tolyle, xylyle, triméthyl-phényle.
Lorsque A et/ou A' est un groupement polyaromatique condensé, on choisira, de préférence, un groupement polyaromatique comprenant de 10 à 45 atomes de carbone, éventuellement, substitué par un ou plusieurs groupements choisi(s) parmi le groupe constitué par -H, -CH3, un halogénure, une chaîne alkyle, linéaire ou ramifiée, comprenant de 2 à 8 atomes de carbone et, éventuellement, un ou plusieurs hétéroatomes choisi(s) parmi O, S et N. La première étape d'assemblage de la cellule électrochimique permet, avantageusement, de réaliser un accumulateur Lithium-ion, non chargé, formant la cellule électrochimique.
La première électrode est, de préférence, l'électrode négative où a lieu la réaction de réduction de l'eau.
L'étape d'assemblage de la cellule électrochimique est suivie d'une étape de formation de la couche de passivation sur la première électrode de la cellule électrochimique, par réduction électrochimique de la solution électrolytique initiale.
Les groupements A et A' sont, de préférence, choisis pour leurs propriétés de stabilité notamment électrochimique au potentiel de réduction du sel de diazonium. Les groupements A et A' ne contiennent, par exemple, pas de fonctions nitro, aminé ou ester dans leur structure. De même, le ou les cycles hydrocarbonés aromatiques de A et A' ne sont avantageusement pas substitués, pour éviter des problèmes d'encombrement stérique pouvant affecter le rendement de greffage du sel de diazonium sur la première électrode.
L'étape de réduction électrochimique permet de former in situ la couche de passivation sur la première électrode, lors d'une première charge de la cellule de l'accumulateur Lithium-ion.
Pour ce faire, l'accumulateur Lithium-on, non-chargé, formé à l'issue de la première étape du procédé est soumis à une tension de fonctionnement lors de la première charge de l'accumulateur Lithium-Ion, selon tout procédé connu. La première charge permet à la fois l'insertion du lithium dans le matériau de la première électrode et la réduction du sel de diazonium présent dans la solution électrolytique initiale. La première charge réalise le greffage d'au moins un cycle hydrocarboné aromatique du groupement A et/ou A' du sel de diazonium de formule (11) sur la première électrode. Le sel de diazonium est consommé lors de la première charge proportionnellement à la création de la couche de passivation sur la première électrode.
L'étape de formation de la couche de passivation comporte, de préférence, la création d'une liaison covalente de type C-aryle/métal ou C-aryle/carbone entre un cycle hydrocarboné aromatique du groupement A et le matériau de la première électrode et un cycle hydrocarboné aromatique du groupement A' et le matériau de la première électrode, lorsque R3 est un groupement de formule (8) dans le motif constituant la couche de passivation. Après la première charge, l'accumulateur Lithium-ion comporte la première électrode recouverte par la couche de passivation décrite ci-dessus et une solution électrolytique finale séparant les première et seconde électrodes. À l'issue de la première charge, la totalité du sel de diazonium a, de préférence, été consommée et la solution électrolytique finale est alors dépourvue du sel de diazonium.
La concentration en sel de diazonium dans la solution électrolytique initiale ainsi que les paramètres de la première charge, notamment, la durée et la tension appliquée interviennent sur les caractéristiques de la couche de passivation, notamment, sur l'épaisseur de la couche formée et le taux de recouvrement.
Le sel de diazonium peut, avantageusement, être présent dans la solution électrolytique initiale à une concentration molaire inférieure à 0,5M, de préférence comprise entre 0,05M et 0,3M.
EXEMPLE II
La passivation d'une électrode de LiFeP04 passivée par réduction électrochimique d'une solution électrolytique initiale aqueuse a été réalisée par voltammétrie cyclique. On entend par "passivation" le fait que l'électrode est recouverte par une couche de passivation telle que décrite ci-dessus.
La solution électrolytique initiale est constituée par lOmL d'une solution aqueuse d'un sel de LiN03 à une concentration de 5M et d'un sel de tétrafluoroborate de bis(4-diazoniumbenzyl)-trioxyéthylène, noté DS3, tel que synthétisé dans l'exemple 1, à une concentration de 2mM.
L'électrode LiFeP04 est réalisée sur un collecteur de courant selon tout procédé connu. A titre d'exemple, une encre est constituée par un mélange de LiFeP04 formant le matériau d'insertion, du carbone formant un additif conducteur et des liants polymères formant un liant. L'encre est enduite sur un collecteur, par exemple en nickel puis séchée pour former l'électrode LiFeP04. L'électrode LiFeP04 est ensuite calandrée et découpée, pour être utilisée dans un montage classique de voltammétrie cyclique. La voltammétrie cyclique a été réalisée selon un montage classique sous argon avec la solution électrolytique initiale décrite ci-dessus et trois électrodes dont l'électrode LiFeP04 telle que décrite ci-dessus, notée D1? constituant une électrode de travail, une électrode au calomel saturée constituant l'électrode de référence et un fil de platine, pour la contre-électrode.
Des mesures comparatives ont, également, été réalisées sur deux autres électrodes LiFeP04. L'une notée D2 est une électrode LiFeP04 passivée selon le même protocole opératoire que précédemment mais avec un sel de tétrafluoroborate 4- méthoxybenzènediazonium, noté S2, commercialisé par la société Sigma-Aldrich, et l'autre, notée D0, est une électrode LiFeP04 nue c'est-à-dire dépourvue de couche de passivation obtenue selon le même protocole mais sans ajout de sel de diazonium dans la solution électrolytique initiale.
Des spectres infrarouges (IR) ont été réalisés à l'issue de la voltammétrie sur les électrodes Ό\ et D2; pour confirmer la formation de la couche de passivation en vérifiant que les sels d'aryle diazonium DS3 et S2 ont bien été greffés, respectivement, sur Dj et D2.
Les spectres IR représentés sur la figure 3 ont été obtenus par une méthode de Réflexion Totale Atténuée (notée ATR) sur le sel de diazonium DS3 seul et sur les électrodes D0 et L'analyse du spectre de Όι comparativement aux spectres de DS3 et D0 montre, effectivement, la disparition d'un pic situé vers 2200 cm"1 caractéristique de la fonction diazonium (flèche en pointillés à la figure 3) et l'apparition d'un pic vers 1600 cm"1 caractéristique d'un cycle aromatique substitué par une chaîne alkyle (flèche pleine à la figure 3).
La même constatation peut être faite en analysant les spectres ATR représentés à la figure 4 du sel S2 seul et des électrodes D0 et D2. L'analyse du spectre de D2 comparativement aux spectres S2 et D0 montre, effectivement, la disparition du pic situé vers 2200 cm" (flèche en pointillés à la figure 4) et l'apparition du pic vers 1600 cm"1 (flèche pleine à la figure 4).
Les mesures en voltammétrie réalisées avec une vitesse de balayage de 0,01 mV. s"1 sur D0, Di et D2 sont représentées sur la figure 5. Pour les trois électrodes D0, et D2, les courbes obtenues présentent des pics symétriques, d'insertion et de désinsertion du lithium, caractéristiques des systèmes réversibles. On constate cependant que la différence de potentiel entre les deux pics d'insertion et de désinsertion est plus petite pour Dj que pour D2. En effet, on obtient une différence de potentiel de l'ordre de 90 mV pour D] qui est proche de la valeur obtenue pour l'électrode nue D0, contre 1 lOmV pour D2.
D'autres mesures comparatives ont, également, été réalisées sur des électrodes de carbone vitreux afin de quantifier les surtensions obtenues pour chaque diazonium. Les électrodes Ci, C2, C3, C4, C5 et C6 ont été passivées selon le même protocole opératoire que pour une électrode de LiFeP04, respectivement avec S2, DS2, DS3, DS5, DS6 et DS7. L'électrode C0 est l'électrode non passivée. a
Les valeurs de courant obtenues sur le balayage "aller" de la voltammétrie pour un potentiel de 1 ,8 V vs. Li/Li+ et la surtension obtenue, par rapport à l'électrode nue, pour une densité de courant de -0,05 mA/cm2 ont été mesurées avec les différentes électrodes. Les résultats sont répertoriés dans le tableau II suivant :
TABLEAU II
Les essais comparatifs témoignent de l'amélioration de la stabilité électrochimique de l'électrolyte aqueux selon l'invention. On constate, en outre, l'obtention de résultats particulièrement intéressants pour C5, avec une surtension élevée de 290mV et un faible courant.
La solution électrolytique aqueuse pour générateur électrochimique, en particulier pour un accumulateur Lithium-Ion, contenant un sel d'aryle diazonium selon l'invention est stable jusqu'à une tension de fonctionnement élevée. Pour les générateurs électrochimiques à électrolyte aqueux, la présence d'un sel d'aryle diazonium dans la solution électrolytique initiale permet d'élargir la fenêtre de stabilité de l'eau en fonction du pH, en augmentant notamment le potentiel de réduction de l'eau.

Claims

Revendications
1. Sel de diazonium dépourvu de fonctions hydroxyle de formule générale (1) suivante :
X " +N≡N— A— Ri— ( OR2 )n— O — R4— A'— N≡N +X " (i) dans laquelle
n est un entier compris entre 1 et 10, de préférence entre 1 et 4,
X" représente un contre-ion du cation diazonium choisi parmi les halogénures, BF4 ", N03-, HS04 ", PF6\ CH3COO", N(S02CF3)2 ", CF3S03-, CH3S03\ CF3COO\ (CH30)(H)P02\ N(CN)2 ",
Rls R2 et R4 sont identiques ou différents et choisis indépendamment parmi le groupe constitué par -CH2-, une chaîne alkyle, linéaire ou ramifiée, cyclique ou acyclique et,
A et A' sont identiques ou différents et représentent indépendamment un groupement hydrocarboné aromatique, mono ou polycyclique, choisi parmi le groupe constitué par le phényle, les groupements aryles, les groupements polyaromatiques condensés, éventuellement substitués.
2. Sel de diazonium selon la revendication 1 , caractérisé en ce que :
- Ri est choisi indépendamment parmi le groupe constitué par -CH2-, les chaînes alkyles comprenant de 1 à 6 atomes de carbone, linéaire ou ramifiée, cyclique ou acyclique,
- R2 est choisi indépendamment parmi le groupe constitué par -CH2-, les chaînes alkyles comprenant de 2 à 6 atomes de carbone, linéaire ou ramifiée, cyclique ou acyclique,
- R4 choisi indépendamment parmi le groupe constitué par -CH2-, les chaînes alkyles comprenant de 2 à 8 atomes de carbone, linéaire ou ramifiée, cyclique ou acyclique et, - A et A' sont identiques ou différents et représentent indépendamment un groupement hydrocarboné aromatique, mono ou polycyclique, choisi parmi le groupe constitué par le phényle, les groupements aryles comprenant de 6 à 9 atomes de carbone, les groupements polyaromatiques condensés comprenant de 10 à 45 atomes de carbone, éventuellement substitués par un ou plusieurs groupements choisis parmi le groupe constitué par -H, -CH3, un halogénure, une chaîne alkyle, linéaire ou ramifié, comprenant de 2 à 8 atomes de carbone et, éventuellement, un ou plusieurs hétéroatomes choisi(s) parmi O, S et N.
3. Sel de diazonium selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que R2 est un groupement choisi parmi le groupe constitué par un groupement méthylène-, éthylène-, n-propylène-, iso-propylène-, n-butylène-, tert-butylène-, sec-butylène- et n-pentylène-.
4. Sel de diazonium selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que chacun des Ri et R4 représente un groupement -CH2-.
5. Sel de diazonium selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que A et A' sont identiques ou différents et choisis indépendamment parmi les groupements phényles, anthracényle et naphtalényle, éventuellement substitués.
6. Sel de diazonium selon la revendication 5, caractérisé en ce que A et A' sont identiques ou différents et choisis indépendamment parmi les groupements phényles, anthracényle et naphtalényle, éventuellement substitués par un ou plusieurs groupements choisi(s) parmi le groupe constitué par -H, -CH3, un halogénure, une chaîne alkyle, linéaire ou ramifié, comprenant de 2 à 8 atomes de carbone et, éventuellement, un ou plusieurs hétéroatomes choisi(s) parmi O, S et N.
7. Sel de diazonium selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, ayant la formule générale (4) suivante :
dans laquelle :
n est un entier compris entre 1 et 10,
m est égal à 0 ou 1 ,
p est un entier compris entre 1 et 5,
X" et Y" sont identiques ou différents et représentent, indépendamment, un contre- ion du cation diazonium choisi parmi les halogénures, BF4 ", N03 ", HSO4 ", PF6 ", CH3COO\ N(S02CF3)2\ CF3S03 ", CH3S03 ", CF3COO", (CH30)(H)P02\ N(CN)2 ", R] et R4 sont identiques ou différents et choisis indépendamment parmi le groupe constitué par -CH2-, une chaîne alkyle, linéaire ou ramifiée, cyclique ou acyclique,
R7 et R8 sont identiques ou différents et choisis indépendamment parmi le groupe constitué par -H, -CH3, un halogénure, une chaîne alkyle, linéaire ou ramifié, contenant éventuellement un ou plusieurs hétéroatomes.
8. Sel de diazonium selon la revendication 7, caractérisé en ce que :
- Ri et R4 sont identiques ou différents et choisis indépendamment parmi le groupe constitué par -CH2-, les chaînes alkyles comprenant de 1 à 6 atomes de carbone, linéaire ou ramifiée, cyclique ou acyclique et, - R7 et R8 sont identiques ou différents et choisis indépendamment parmi le groupe constitué par -H, -CH3, un halogénure, une chaîne alkyle, linéaire ou ramifié, comprenant entre 2 et 8 atomes de carbone et éventuellement un ou plusieurs hétéroatomes choisi(s) parmi O, S et N.
9. Sel de diazonium selon l'une des revendications 7 et 8, caractérisé en ce qu'il a une formule générale (5) suivante :
dans laquelle :
n est un entier compris entre 1 et 10,
m est égal à 0 ou 1 ,
p est un entier compris entre 1 et 5,
X" et Y" sont identiques ou différents et représentent, indépendamment, un contre- ion du cation diazonium choisi parmi les halogénures, BF4 ", N03 ", HS04 ", PF6 ", CH3COO", N(S02CF3)2 ", CF3SO3", CH3S03 ", CF3COO\ (CH30)(H)P02\ N(CN)2\ Ri et ; sont identiques ou différents et choisis indépendamment parmi le groupe constitué par -CH2-, une chaîne alkyle, linéaire ou ramifiée, cyclique ou acyclique, R7 et R8 sont identiques ou différents et choisis indépendamment parmi le groupe constitué par -H, -CH3, un halogénure, une chaîne alkyle, linéaire ou ramifié, contenant éventuellement un ou plusieurs hétéroatomes.
10. Sel de diazonium selon la revendication 9, caractérisé en ce que : - R] et R4 sont identiques ou différents et choisis indépendamment parmi le groupe constitué par -CH2-, les chaînes alkyles comprenant de 1 à 6 atomes de carbone, linéaire ou ramifiée, cyclique ou acyclique et,
- R7 et R sont identiques ou différents et choisis indépendamment parmi le groupe constitué par -H, -CH3, un halogénure, une chaîne alkyle, linéaire ou ramifié, comprenant entre 2 et 8 atomes de carbone et éventuellement un ou plusieurs hétéroatomes choisi(s) parmi O, S et N.
11. Sel de diazonium selon l'une quelconque des revendications 7 à 10, caractérisé en ce que R7 et R8 sont identiques et représentent un -H.
12. Utilisation d'un sel diazonium selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, dans une solution électrolytique initiale d'un accumulateur Lithium-ion.
13. Utilisation d'un sel de diazonium selon l'une quelconque des revendications 1 à 1 1 , dans une solution électrolytique initiale d'un supercondensateur.
14. Utilisation selon l'une des revendications 12 et 13, caractérisée en ce que ladite solution électrolytique initiale est une solution aqueuse.
15. Utilisation selon l'une quelconque des revendications 12 à 14, caractérisée en ce que le sel de diazonium est présent dans la solution électrolytique initiale à une concentration molaire inférieure à 0,5 M.
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