FR3166757A1 - Ready-to-use liquid graphene dispersion for use as a conductive electrode additive - Google Patents
Ready-to-use liquid graphene dispersion for use as a conductive electrode additiveInfo
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Abstract
La présente invention concerne un procédé d’obtention d’une dispersion liquide de graphène, une dispersion liquide de graphène et ses utilisations, notamment en tant qu’additif conducteur d’électrode. En particulier la présente invention a pour objet une dispersion liquide de graphène, comprenant un solvant, un polymère, au moins 0,1g/L de graphène et présentant une viscosité absolue mesurée à 25°C à l’aide d’un rhéomètre comprise entre 5mPa.s et 10Pa.s.The present invention relates to a method for obtaining a liquid graphene dispersion, a liquid graphene dispersion, and its uses, particularly as a conductive electrode additive. In particular, the present invention relates to a liquid graphene dispersion comprising a solvent, a polymer, at least 0.1 g/L of graphene, and having an absolute viscosity, measured at 25°C using a rheometer, of between 5 mPa·s and 10 Pa·s.
Description
La présente invention se rapporte au domaine technique des additifs conducteurs d’électrodes. L’invention a en particulier pour objet un procédé d’obtention d’une dispersion liquide de graphène, une dispersion liquide de graphène ainsi que ses utilisations, préférentiellement en tant qu’additif conducteur d’électrode. L’invention porte également sur une électrode comprenant la dispersion liquide de graphène selon l’invention ainsi qu’une batterie comprenant une telle électrode.The present invention relates to the technical field of conductive electrode additives. In particular, the invention relates to a method for obtaining a liquid graphene dispersion, a liquid graphene dispersion itself, and its uses, preferably as a conductive electrode additive. The invention also relates to an electrode comprising the liquid graphene dispersion according to the invention, as well as a battery comprising such an electrode.
Le domaine du stockage d’énergie est essentiel pour de nombreux secteurs, tels que les appareils électroniques portables, les véhicules électriques (VE) et les systèmes de stockage stationnaire pour les énergies renouvelables.The field of energy storage is essential for many sectors, such as portable electronic devices, electric vehicles (EVs) and stationary storage systems for renewable energy.
Parmi les différentes technologies de stockage disponibles, les batteries électrochimiques sont particulièrement importantes en raison de leur capacité à stocker et restituer de l'énergie électrique de manière efficace. Le principe de fonctionnement des batteries repose sur des réactions d'oxydoréduction qui ont lieu dans des électrodes, où des ions se déplacent à travers un électrolyte entre une anode et une cathode lors des cycles de charge et de décharge.Among the various energy storage technologies available, electrochemical batteries are particularly important due to their ability to efficiently store and release electrical energy. The operating principle of batteries relies on redox reactions that take place in electrodes, where ions move through an electrolyte between an anode and a cathode during charge and discharge cycles.
Les batteries sont généralement classées en fonction des matériaux utilisés pour les électrodes et l’électrolyte, ainsi que du type de réaction électrochimique. Les principaux types de batteries incluent :
*Les batteries plomb-acide : Utilisées principalement dans les véhicules et pour le stockage stationnaire, elles se caractérisent par un coût relativement faible mais dispose d’une densité d’énergie faible et une durée de vie limitée ;
*Les batteries nickel-cadmium et nickel-métal hydrure : Ces batteries ont été utilisées pour les appareils portables et les outils électriques. Leurs avantages résident dans leur capacité à supporter de nombreux cycles de charge/décharge. Toutefois, le cadmium est un élément toxique et polluant et la faible densité d’énergie de ces batteries ont conduit à une diminution de leur utilisation ;
*Les batteries lithium-ion : Les batteries lithium-ion sont aujourd’hui la technologie dominante pour les appareils électroniques et les véhicules électriques. Leur fonctionnement repose sur le déplacement des ions lithium entre la cathode et l’anode via un électrolyte liquide. Ce type de batterie se distingue par une densité d’énergie élevée, un faible taux d’autodécharge et une longue durée de vie. Toutefois, ces batteries présentent un cout élevé et certaines problématiques de sécurité, notamment liés aux courts circuits et à la surchauffe. Différentes variantes de batteries lithium-ion existent, selon les matériaux utilisés pour la cathode (LiCoO2, LiMn2O4, LiFePO4), chaque composition offrant un compromis différent entre densité d’énergie, durée de vie et sécurité ;
*Les batteries sodium-ion : Plus récentes, les batteries sodium-ion se basent sur des principes similaires à ceux des batteries lithium-ion, mais remplacent le lithium par le sodium, un élément beaucoup plus abondant et moins coûteux. Bien que la densité d’énergie des batteries sodium-ion soit actuellement inférieure à celle des batteries lithium-ion, elles présentent un intérêt croissant pour les applications de stockage d’énergie stationnaire et pourraient réduire la dépendance aux ressources limitées en lithium. En outre, elles offrent un potentiel de meilleures performances à des températures basses et un coût de production plus faible ; et
*Les batteries à électrolyte solide (solid-state) : Cette technologie émergente vise à remplacer l’électrolyte liquide par un électrolyte solide, ce qui améliore la sécurité et la stabilité des batteries en réduisant le risque de fuites et d’incendies. Les batteries à électrolyte solide offrent une densité d’énergie potentiellement plus élevée, une durée de vie plus longue et de meilleures performances à haute température. Elles sont particulièrement intéressantes pour les véhicules électriques, mais leur développement est encore limité par des défis de fabrication et de coûts. Cependant, les progrès rapides dans ce domaine laissent entrevoir un avenir prometteur pour cette technologie, qui pourrait surpasser les batteries lithium-ion dans de nombreuses applications à long terme.Batteries are generally classified according to the materials used for the electrodes and electrolyte, as well as the type of electrochemical reaction. The main types of batteries include:
*Lead-acid batteries: Used mainly in vehicles and for stationary storage, they are characterized by a relatively low cost but have a low energy density and a limited lifespan;
*Nickel-cadmium and nickel-metal hydride batteries: These batteries were used for portable devices and power tools. Their advantage lies in their ability to withstand numerous charge/discharge cycles. However, cadmium is a toxic and polluting element, and the low energy density of these batteries has led to a decrease in their use;
*Lithium-ion batteries: Lithium-ion batteries are currently the dominant technology for electronic devices and electric vehicles. They operate by the movement of lithium ions between the cathode and the anode via a liquid electrolyte. This type of battery is distinguished by its high energy density, low self-discharge rate, and long lifespan. However, these batteries are expensive and have certain safety issues, particularly related to short circuits and overheating. Different variants of lithium-ion batteries exist, depending on the materials used for the cathode ( LiCoO2 , LiMn2O4 , LiFePO4 ), each composition offering a different compromise between energy density, lifespan , and safety.
*Sodium-ion batteries: More recent, sodium-ion batteries are based on principles similar to those of lithium-ion batteries, but replace lithium with sodium, a much more abundant and less expensive element. Although the energy density of sodium-ion batteries is currently lower than that of lithium-ion batteries, they are of increasing interest for stationary energy storage applications and could reduce dependence on limited lithium resources. Furthermore, they offer the potential for better performance at low temperatures and a lower production cost; and
Solid-state batteries: This emerging technology aims to replace liquid electrolytes with solid electrolytes, improving battery safety and stability by reducing the risk of leaks and fires. Solid-state batteries offer potentially higher energy density, longer lifespans, and better high-temperature performance. They are particularly attractive for electric vehicles, but their development is still limited by manufacturing and cost challenges. However, rapid progress in this area suggests a promising future for this technology, which could outperform lithium-ion batteries in many applications in the long term.
Le domaine du stockage de l’énergie étant un enjeu majeur pour de nombreux industrielle, il existe différentes approches afin d’améliorer les performances des batteries afin de les rendre les plus compétitive possible, notamment en termes de densité d'énergie, de vitesse de charge, de durée de vie, et de sécurité.Since energy storage is a major issue for many industrial companies, there are different approaches to improve battery performance to make them as competitive as possible, particularly in terms of energy density, charging speed, lifespan, and safety.
Parmi ces différentes approches, on peut retrouver l’élaboration de nouveaux matériaux pour les électrodes. L'exploration de nouveaux matériaux pour les cathodes et les anodes, tels que les anodes en silicium (qui offrent une capacité théorique beaucoup plus élevée que le graphite) ou les cathodes riches en nickel, vise à accroître la capacité et la stabilité des batteries.Among these different approaches, we can find the development of new materials for electrodes. The exploration of new materials for cathodes and anodes, such as silicon anodes (which offer a much higher theoretical capacity than graphite) or nickel-rich cathodes, aims to increase the capacity and stability of batteries.
Une autre approche vise à développer des électrolytes solides. Le remplacement des électrolytes liquides par des électrolytes solides pourrait améliorer la sécurité et permettre l’utilisation d’électrodes à haute capacité, tout en éliminant le risque de formation de dendrites qui peut provoquer des courts-circuits.Another approach aims to develop solid electrolytes. Replacing liquid electrolytes with solid electrolytes could improve safety and allow the use of high-capacity electrodes, while eliminating the risk of dendrite formation that can cause short circuits.
Enfin, pour maximiser l’efficacité des électrodes, des additifs conducteurs sont souvent incorporés pour améliorer la conductivité électrique, en particulier lorsque des matériaux actifs ont une conductivité intrinsèque faible.Finally, to maximize electrode efficiency, conductive additives are often incorporated to improve electrical conductivity, especially when active materials have low intrinsic conductivity.
Les additifs conducteurs d’électrode, tels que le noir de carbone, les nanotubes de carbone et les fibres de carbone, sont traditionnellement utilisés pour améliorer la conductivité électronique des électrodes. Leur rôle est de garantir un transport efficace des électrons au sein des matériaux actifs, tout en assurant une répartition uniforme des charges à travers l’électrode.Electrode conductive additives, such as carbon black, carbon nanotubes, and carbon fibers, are traditionally used to improve the electronic conductivity of electrodes. Their role is to ensure efficient electron transport within the active materials, while also ensuring a uniform distribution of charges across the electrode.
Cependant, ces matériaux présentent plusieurs limites. Le noir de carbone, par exemple, nécessite des proportions relativement élevées dans l’électrode pour atteindre des niveaux de conductivité suffisants, ce qui réduit la quantité de matériau actif dans la batterie et diminue ainsi la capacité globale de stockage. De plus, les nanotubes et fibres de carbone, bien qu’ayant des propriétés conductrices supérieures, peuvent présenter des coûts élevés et des défis en termes de dispersion uniforme dans la matrice d’électrode, conduisant à une performance sous-optimale.However, these materials have several limitations. Carbon black, for example, requires relatively high proportions in the electrode to achieve sufficient conductivity levels, which reduces the amount of active material in the battery and thus decreases the overall storage capacity. Furthermore, while carbon nanotubes and fibers have superior conductive properties, they can be costly and present challenges in terms of uniform dispersion within the electrode matrix, leading to suboptimal performance.
Dans ce contexte, le graphène apparaît comme une solution prometteuse. Matériau bidimensionnel composé d’une seule couche d’atome de carbone disposés en réseaux hexagonal, le graphène est un matériau polyvalent présentant un grand nombre de propriétés physiques avantageuses telles que sa conductivité électrique et thermique, sa résistance mécanique, sa légèreté, sa résistance à la corrosion, sa souplesse et sa transparence.In this context, graphene appears as a promising solution. A two-dimensional material composed of a single layer of carbon atoms arranged in hexagonal networks, graphene is a versatile material with a large number of advantageous physical properties such as its electrical and thermal conductivity, mechanical strength, lightness, corrosion resistance, flexibility and transparency.
Malgré ces avantages, l’utilisation du graphène en tant qu’additif conducteur d’électrode présente encore de nombreux défis. L'un des principaux défis est lié à la difficulté de produire du graphène de haute qualité à grande échelle et à un coût raisonnable. En outre, la dispersion homogène du graphène dans les matériaux d'électrode reste un enjeu majeur : une mauvaise dispersion peut entraîner la formation d’agrégats réduisant ainsi les performances électrochimiques globales. De plus, les interactions entre le graphène et les matériaux actifs, bien que prometteuses, ne sont pas toujours optimisées, ce qui peut limiter les gains de performance attendus.Despite these advantages, the use of graphene as a conductive electrode additive still presents numerous challenges. One of the main challenges is the difficulty of producing high-quality graphene on a large scale and at a reasonable cost. Furthermore, the homogeneous dispersion of graphene within electrode materials remains a major issue: poor dispersion can lead to the formation of aggregates, thus reducing overall electrochemical performance. In addition, the interactions between graphene and active materials, while promising, are not always optimized, which can limit the expected performance gains.
Il existe donc un besoin de développer des additifs conducteurs d’électrodes à base de graphène à faible cout, stable, sans agrégat, prêt à l’emploi et permettant d’améliorer les performances des batteries, de préférence sous la forme d’une dispersion liquide de graphène.There is therefore a need to develop low-cost, stable, aggregate-free, ready-to-use graphene-based electrode conductive additives that improve battery performance, preferably in the form of a liquid graphene dispersion.
Pour répondre à ce besoin, l’invention propose une dispersion liquide de graphène comprenant un solvant, un polymère, au moins 0,1 g/L de graphène et présentant une viscosité absolue mesurée à 25°C à l’aide d’un rhéomètre comprise entre 5mPa.s et 10Pa.s.To meet this need, the invention proposes a liquid dispersion of graphene comprising a solvent, a polymer, at least 0.1 g/L of graphene and having an absolute viscosity measured at 25°C using a rheometer of between 5mPa.s and 10Pa.s.
Avantageusement, la dispersion selon l’invention est stable, comprend du graphène sous forme de feuillet uniformément réparties et est adaptée pour être utilisées pour améliorer les performances électrochimiques d’électrodes.Advantageously, the dispersion according to the invention is stable, comprises graphene in the form of uniformly distributed sheets and is suitable for use in improving the electrochemical performance of electrodes.
La viscosité de la dispersion liquide de graphène permet notamment d’obtenir une concentration en graphène particulièrement intéressante pour une utilisation industrielle tout en garantissant l’absence d’agrégat au sein de la dispersion.The viscosity of the liquid graphene dispersion makes it possible to obtain a graphene concentration that is particularly interesting for industrial use while guaranteeing the absence of aggregates within the dispersion.
Ainsi, préférentiellement, la dispersion selon l’invention ne comprend pas d’agrégat.Thus, preferably, the dispersion according to the invention does not include an aggregate.
Avantageusement, la dispersion liquide de graphène selon l’invention ne contient pas d’agrégat, notamment les agrégats obtenus par un phénomène de réagrégation des feuillets de graphène et ce pendant au moins 3 mois garantissant une bonne fiabilité, notamment lors de son utilisation en tant qu’additif conducteur d’électrode.Advantageously, the liquid graphene dispersion according to the invention does not contain aggregates, in particular aggregates obtained by a phenomenon of re-aggregation of graphene sheets, and this for at least 3 months guaranteeing good reliability, in particular when used as a conductive electrode additive.
Préférentiellement, la dispersion selon l’invention comprend du graphène sous forme de feuillet et au moins un feuillet présente une épaisseur inférieure à 10 couches atomiques.Preferably, the dispersion according to the invention comprises graphene in sheet form and at least one sheet has a thickness of less than 10 atomic layers.
La dispersion selon l’invention comprend avantageusement du graphène présentant un faible nombre de couche atomique, significatif d’une grande qualité.The dispersion according to the invention advantageously comprises graphene having a low number of atomic layers, indicative of high quality.
Selon un mode de réalisation, le polymère est choisi parmi le Polyfluorure de vinylidène (PVDF), polytétrafluoroéthylène (PTFE), caoutchouc d'éthylène-propylène-diène monomère (EPDM), ou carboxyméthylcellulose (CMC), caoutchouc nitrile-butadiène (NBR), caoutchouc styrène-butadiène (SBR), polyacrylate de lithium (LiPAA), polyacrylate de sodium (NaPAA), poly(acide acrylique) (PAA), polyimide, polyamide, alginate de sodium, alginate de lithium et leurs combinaisons.According to one embodiment, the polymer is chosen from polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), ethylene propylene diene monomer rubber (EPDM), or carboxymethylcellulose (CMC), nitrile butadiene rubber (NBR), styrene butadiene rubber (SBR), lithium polyacrylate (LiPAA), sodium polyacrylate (NaPAA), poly(acrylic acid) (PAA), polyimide, polyamide, sodium alginate, lithium alginate and their combinations.
Avantageusement, le polymère selon l’invention permet de stabiliser la dispersion en participant à l’augmentation de la viscosité.Advantageously, the polymer according to the invention helps to stabilize the dispersion by contributing to the increase in viscosity.
Selon un mode de réalisation, le solvant est un solvant aprotique polaire choisi parmi le dimethylformamide (DMF), dimethyl sulfoxide (DMSO), propylène carbonate (PC), acétonitrile, tétrahydrofurane (THF) le N-méthyl-2-pyrrolidone (NMP), le 2-Méthyltétrahydrofurane (Me-THF), le cyclopentylmethylether et leurs combinaisons.According to one embodiment, the solvent is a polar aprotic solvent selected from dimethylformamide (DMF), dimethyl sulfoxide (DMSO), propylene carbonate (PC), acetonitrile, tetrahydrofuran (THF), N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), 2-methyltetrahydrofuran (Me-THF), cyclopentylmethylether and their combinations.
Avantageusement, le solvant est particulièrement adapté pour la solubilisation et la dispersion des différentes charges, polymères et additifs et est de qualité suffisante pour des applications dans des dispositifs de stockage de l’énergie, notamment les batteries, préférentiellement les batteries lithium ion.Advantageously, the solvent is particularly suitable for the solubilization and dispersion of various fillers, polymers and additives and is of sufficient quality for applications in energy storage devices, especially batteries, preferably lithium ion batteries.
Selon un mode de réalisation particulièrement préféré, la dispersion peut être caractérisée en ce qu’elle comprend 3 bandes vibrationnelles caractéristique du graphène observées par spectrophotométrie RAMAN :
- 1350 cm-1 (pic D) ;
- 1580 cm-1 (pic G) ; et
– entre 2680 et 2700 cm-1 (pic 2D).According to a particularly preferred embodiment, the dispersion can be characterized in that it comprises 3 vibrational bands characteristic of graphene observed by RAMAN spectrophotometry:
- 1350 cm-1 (peak D);
- 1580 cm-1 (peak G); and
– between 2680 and 2700 cm-1 (peak 2D).
Avantageusement, un tel spectre RAMAN démontre la présence de graphène non oxydé et donc sa conformation en feuillet, garantissant ainsi que la dispersion selon l’invention permet de profiter des caractéristiques avantageuses du graphène sous forme de feuillets.Advantageously, such a RAMAN spectrum demonstrates the presence of unoxidized graphene and therefore its sheet conformation, thus guaranteeing that the dispersion according to the invention makes it possible to take advantage of the advantageous characteristics of graphene in sheet form.
Selon un autre objet, l’invention concerne un procédé d’obtention d’une dispersion liquide de graphène caractérisé en ce qu’il comprend les étapes suivantes :
1) Solubilisation de graphite réalisée sous atmosphère inerte formant une solution de graphènure ;
2) Oxydation de la solution de graphènure obtenue à l’étape 1) pour obtenir une dispersion organique de graphène ; et
3) Transfert de la dispersion organique de graphène obtenue à l’étape 2) dans un polymère formant une dispersion liquide de graphène.According to another object, the invention relates to a method for obtaining a liquid dispersion of graphene characterized in that it comprises the following steps:
1) Solubilization of graphite carried out under an inert atmosphere forming a graphene solution;
2) Oxidation of the graphene solution obtained in step 1) to obtain an organic dispersion of graphene; and
3) Transfer of the organic graphene dispersion obtained in step 2) into a polymer forming a liquid graphene dispersion.
Avantageusement, le transfert dans un polymère permet d’améliorer la stabilité et de concentrer la dispersion liquide en graphène.Advantageously, the transfer into a polymer improves stability and concentrates the liquid dispersion into graphene.
Un tel procédé est particulièrement utile dans le contexte de l’invention permettant ainsi d’apporter une alternative à la production industrielle de graphène.Such a process is particularly useful in the context of the invention, thus providing an alternative to the industrial production of graphene.
Préférentiellement, le polymère de l’étape 3) présente une viscosité absolue mesurée à 25°C sous un cisaillement de 10s-1 à l’aide d’un rhéomètre comprise entre 5mPa.s et 10Pa.s.Preferably, the polymer of step 3) has an absolute viscosity measured at 25°C under a shear of 10s-1 using a rheometer of between 5mPa.s and 10Pa.s.
Avantageusement, une telle viscosité permet d’obtenir une stabilité optimale évitant le phénomène de réagrégation des feuillets de graphène pendant au moins 3 mois.Advantageously, such viscosity allows for optimal stability, preventing the phenomenon of graphene sheet re-aggregation for at least 3 months.
Selon un objet préféré de l’invention, l’étape 1) de solubilisation du graphite réalisée sous atmosphère inerte comprend les étapes suivantes :
a) Intercalation d’au moins un métal alcalin dans du graphite conduisant à un composé d’intercalation du graphite ;
b) Exfoliation chimique combinée à une exfoliation mécanique du composé d’intercalation du graphite, caractérisées en ce que le composé d’intercalation du graphite est mélangé à un solvant dans un régime turbulent présentant :
- un nombre de Reynolds supérieur à 1000 ;
- un nombre de Froude inférieur à 1 ; et
- un taux de cisaillement inférieur à 400s-1, de façon à obtenir une solution de graphènure.According to a preferred embodiment of the invention, step 1) of solubilizing graphite carried out under an inert atmosphere comprises the following steps:
a) Intercalation of at least one alkali metal in graphite leading to a graphite intercalation compound;
b) Chemical exfoliation combined with mechanical exfoliation of the graphite intercalation compound, characterized in that the graphite intercalation compound is mixed with a solvent in a turbulent regime exhibiting:
- a Reynolds number greater than 1000;
- a Froude number less than 1; and
- a shear rate of less than 400s-1, in order to obtain a graphene solution.
Avantageusement, la combinaison d’une exfoliation chimique et mécanique d’un composé d’intercalation du graphite dans un régime turbulent caractérisé par un nombre de Reynolds, un nombre de Froude, et un taux de cisaillement particulier permet d’obtenir une dissolution améliorée du composé d’intercalation du graphite.Advantageously, the combination of chemical and mechanical exfoliation of a graphite intercalation compound in a turbulent regime characterized by a Reynolds number, a Froude number, and a particular shear rate allows for improved dissolution of the graphite intercalation compound.
Plus particulièrement, selon ce mode de réalisation la dissolution du composé d’intercalation du graphite dans le solvant est améliorée par une exfoliation mécanique, préférentiellement obtenue à partir de la combinaison du cisaillement, du broyage et de la friction. L’exfoliation mécanique produit un régime turbulent caractérisé par un nombre de Reynolds du système qui compare les effets inertiels aux effets visqueux ainsi qu’au nombre de Froude qui compare les effets inertiels aux effets de la gravité. En d’autres termes, le nombre de Reynolds, le nombre de Froude et le taux de cisaillement permettent de caractériser l’exfoliation mécanique de l’étape b) pour tous les systèmes. Le nombre de Froude, le nombre de Reynolds et le taux de cisaillement permettent donc de caractériser l’exfoliation mécanique de l’étape b) nécessaire pour obtenir une dissolution améliorée du composé d’intercalation du graphite dans un solvant.More specifically, according to this embodiment, the dissolution of the graphite intercalation compound in the solvent is improved by mechanical exfoliation, preferably obtained through a combination of shear, grinding, and friction. Mechanical exfoliation produces a turbulent regime characterized by a Reynolds number of the system that compares inertial effects to viscous effects, and by a Froude number that compares inertial effects to the effects of gravity. In other words, the Reynolds number, the Froude number, and the shear rate characterize the mechanical exfoliation of step b) for all systems. Therefore, the Froude number, Reynolds number, and shear rate characterize the mechanical exfoliation of step b) necessary to achieve improved dissolution of the graphite intercalation compound in a solvent.
Préférentiellement, le composé d’intercalation du graphite se présente sous la forme d’un composé binaire de formule KC8.Preferably, the graphite intercalation compound is in the form of a binary compound with the formula KC8.
L’exfoliation chimique quant à elle est préférentiellement réalisée en exposant le composé d’intercalation du graphite à un solvant polaire aprotique. De façon préférée ledit solvant polaire aprotique a une constante diélectrique comprise entre 5 et 200.Chemical exfoliation, on the other hand, is preferably carried out by exposing the graphite intercalation compound to a polar aprotic solvent. Preferably, said polar aprotic solvent has a dielectric constant between 5 and 200.
Préférentiellement, l’exfoliation chimique est réalisée avec un ratio composé d’intercalation du graphite / solvant polaire aprotique compris entre 1 et 50g/L.Preferably, chemical exfoliation is carried out with a compound ratio of graphite intercalation / aprotic polar solvent between 1 and 50g/L.
Avantageusement, le ratio du composé d’intercalation du graphite / solvant polaire aprotique associé à l’exfoliation mécanique permet de solubiliser du graphène de bonne qualité. Préférentiellement au moins un feuillet, encore plus préférentiellement chaque feuillet de graphène obtenu selon l’invention présente une épaisseur de feuillets inférieur à 10 couches atomiques, préférentiellement inférieur à 5 couches atomiques.Advantageously, the ratio of the graphite intercalation compound to the aprotic polar solvent associated with mechanical exfoliation allows for the solubilization of good quality graphene. Preferably, at least one sheet, and even more preferably each sheet of graphene obtained according to the invention, has a sheet thickness of less than 10 atomic layers, preferably less than 5 atomic layers.
L’invention vise aussi l’utilisation de la dispersion liquide de graphène selon l’invention en tant qu’additif, préférentiellement en tant qu’additif conducteur d’électrode.The invention also relates to the use of the liquid graphene dispersion according to the invention as an additive, preferably as an electrode conductive additive.
De façon préférée, la dispersion de graphène selon l’invention peut être utilisée en tant qu’additif conducteur d’électrode pour améliorer au moins une propriété d’un dispositif de stockage de l’énergie choisie parmi la capacité de stockage, la capacité de cyclage, l’irréversibilité de la SEI (solid electrolyte interphase), la puissance accessible, la capacité spécifique, la tenue en température, la fiabilité ou leurs combinaisons.Preferably, the graphene dispersion according to the invention can be used as a conductive electrode additive to improve at least one property of an energy storage device selected from storage capacity, cycling capacity, SEI (solid electrolyte interphase) irreversibility, accessible power, specific capacity, temperature resistance, reliability or combinations thereof.
Enfin, l’invention vise également :
*une électrode pour un dispositif de stockage de l’énergie comprenant une dispersion liquide de graphène selon l’invention ; et
*un dispositif de stockage de l’énergie comprenant une électrode selon l’invention.Finally, the invention also aims to:
*an electrode for an energy storage device comprising a liquid graphene dispersion according to the invention; and
*an energy storage device comprising an electrode according to the invention.
D’autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description détaillée de l’invention et des exemples uniquement illustratifs et nullement limitatifs de la portée de l’invention.Other features and advantages will become apparent from the detailed description of the invention and the examples which are purely illustrative and in no way limiting of the scope of the invention.
DéfinitionDefinition ss
Par "additif conducteur d'électrode" au sens de l'invention, on entend une substance introduite dans la composition d'une électrode afin d'améliorer sa conductivité électrique. Cet additif permet de faciliter le transfert d'électrons au sein de l'électrode, optimisant ainsi la performance électrochimique de tout dispositif de stockage d’énergie.For the purposes of this invention, "electrode conductive additive" means a substance introduced into the composition of an electrode to improve its electrical conductivity. This additive facilitates the transfer of electrons within the electrode, thereby optimizing the electrochemical performance of any energy storage device.
Par « agrégat » au sens de l’invention, on entend une structure agglomérée formée de plusieurs feuillets de graphène dans les 3 directions de l’espace, dont la taille est grande devant les dimensions du feuillet de graphène.For the purposes of this invention, "aggregate" means an agglomerated structure formed from several sheets of graphene in the 3 directions of space, the size of which is large compared to the dimensions of the graphene sheet.
Par « atmosphère inerte » au sens de l’invention, on entend un gaz ou un mélange de gaz qui ne favorise pas la ré-oxydation des plans de graphène réduit en plans de graphène neutre. Le procédé selon l’invention peut ainsi être effectué sous atmosphère d’argon ou d’azote.For the purposes of this invention, "inert atmosphere" means a gas or mixture of gases that does not promote the re-oxidation of reduced graphene sheets into neutral graphene sheets. The process according to the invention can therefore be carried out under an argon or nitrogen atmosphere.
Par « composé d'intercalation du graphite » au sens de l’invention, on entend un composé comprenant au moins deux plans individuels de graphène chargés négativement ou positivement et intercalés par des contre ions positifs ou négatifs. Les sels d'alcalins de graphite sont un cas particulier de composés d’intercalation du graphite où les plans de graphène sont chargés négativement et les contre-ions sont des ions alcalins. Ils peuvent être formés par intercalation d’au moins un métal alcalin dans du graphite.For the purposes of this invention, a "graphite intercalation compound" is defined as a compound comprising at least two individual negatively or positively charged graphene planes intercalated by positive or negative counterions. Graphite alkali salts are a specific type of graphite intercalation compound in which the graphene planes are negatively charged and the counterions are alkali ions. They can be formed by intercalating at least one alkali metal into graphite.
Par « couche atomique » au sens de l’invention, on entend une couche composée dans une direction de l’espace d’un seul atome. Un feuillet de graphène est constitué par au moins une couche atomique.For the purposes of this invention, an "atomic layer" is defined as a layer composed of a single atom in one spatial direction. A graphene sheet consists of at least one atomic layer.
Par « dispersion liquide de graphène » au sens de l’invention, on entend une dispersion de graphène présentant une viscosité absolue comprise entre 5mPa.s et 10Pa.s, préférentiellement entre 100mPa.s et 10Pa.s.For the purposes of this invention, "liquid dispersion of graphene" means a dispersion of graphene having an absolute viscosity between 5mPa.s and 10Pa.s, preferably between 100mPa.s and 10Pa.s.
Par "dispositifs de stockage d'énergie" au sens de l'invention, on entend des systèmes capables d'accumuler de l'énergie sous forme électrochimique, électrostatique ou chimique, et de la restituer sous forme d'énergie électrique selon les besoins. Cela inclut, sans s'y limiter, les batteries, les supercondensateurs, ainsi que les piles à combustible. Ces dispositifs sont conçus pour fournir une source d'alimentation durable et flexible pour diverses applications, allant des appareils électroniques aux véhicules électriques.For the purposes of this invention, "energy storage devices" are defined as systems capable of accumulating energy in electrochemical, electrostatic, or chemical form and releasing it as electrical energy as needed. This includes, but is not limited to, batteries, supercapacitors, and fuel cells. These devices are designed to provide a sustainable and flexible power source for a variety of applications, ranging from electronic devices to electric vehicles.
Par "électrode" au sens de l'invention, on entend un composant conducteur d'un dispositif de stockage d'énergie qui permet le passage des électrons vers ou depuis un circuit externe. L'électrode est généralement en contact avec un matériau actif qui participe aux réactions électrochimiques, facilitant ainsi le stockage ou la libération d'énergie dans le dispositif.For the purposes of this invention, an "electrode" is a conductive component of an energy storage device that allows the flow of electrons to or from an external circuit. The electrode is generally in contact with an active material that participates in electrochemical reactions, thereby facilitating the storage or release of energy within the device.
Par « gaz vecteur » au sens de l’invention, on entend un gaz principal dans lequel un autre gaz ou liquide, réactif ou non, sera dilué et introduit dans le milieu.For the purposes of this invention, "carrier gas" means a main gas in which another gas or liquid, reactive or not, will be diluted and introduced into the medium.
Par « interface électrolytique solide » ou « SEI » également appelée « Solid Electrolyte Interphase » au sens de l’invention, on entend une couche mince qui se forme à l'interface entre l'électrolyte liquide et l'électrode lors du premier cycle de charge d'une batterie, en particulier dans les batteries lithium-ion. Cette couche est constituée de produits de décomposition de l'électrolyte et de matériaux issus de l'électrode. La SEI agit comme une barrière, empêchant la décomposition supplémentaire de l'électrolyte et protégeant ainsi l'électrode contre des réactions indésirables. Bien que la SEI soit une couche solide, elle doit être suffisamment conductrice pour permettre le passage des ions (par exemple, ions lithium) entre l'électrolyte et l'électrode. Une SEI stable contribue à prolonger la durée de vie de la batterie en minimisant la consommation de matériau actif et en réduisant les cycles de dégradation. La formation et la composition de la SEI sont des aspects cruciaux pour le développement de batteries plus performantes et plus durables.The term "solid electrolyte interface" or "SEI," also referred to as "solid electrolyte interphase" in the context of this invention, refers to a thin layer that forms at the interface between the liquid electrolyte and the electrode during the first charging cycle of a battery, particularly in lithium-ion batteries. This layer consists of electrolyte decomposition products and materials from the electrode. The SEI acts as a barrier, preventing further electrolyte decomposition and thus protecting the electrode from undesirable reactions. Although the SEI is a solid layer, it must be sufficiently conductive to allow the passage of ions (e.g., lithium ions) between the electrolyte and the electrode. A stable SEI helps extend battery life by minimizing the consumption of active material and reducing degradation cycles. The formation and composition of the SEI are crucial aspects for the development of higher-performing and longer-lasting batteries.
Par « nombre de Froude » au sens de l’invention, on entend le rapport entre l’énergie cinétique et l’énergie potentielle gravitationnelle. Le nombre de Froude est définit de la manière suivante :
The term "Froude number" in the context of this invention refers to the ratio of kinetic energy to gravitational potential energy. The Froude number is defined as follows:
Fr = n².d / g
Fr = n².d / g
n, d correspond à la vitesse de rotation (tour/sec) et au diamètre du mobile d'agitation (m)n, d corresponds to the rotation speed (revolutions/sec) and the diameter of the stirring element (m)
g : accélération de la pesanteur (m/s²)g: acceleration due to gravity (m/s²)
Par « nombre de Reynolds » au sens de l’invention, on entend le rapport entre les forces d’inertie et les forces visqueuses. Le nombre de Reynolds est définit de la manière suivante :
Le calcul est effectué avec les paramètres extraits du procédé de la manière suivante :
For the purposes of this invention, "Reynolds number" means the ratio of inertial forces to viscous forces. The Reynolds number is defined as follows:
The calculation is performed using the parameters extracted from the process as follows:
Re = n.d².ρ / µ
Re = n.d².ρ / µ
n, d correspond à la vitesse de rotation (tour/sec) et au diamètre du mobile d'agitation (m)n, d corresponds to the rotation speed (revolutions/sec) and the diameter of the stirring element (m)
ρ, µ correspond à la masse volumique (kg/m3) et la viscosité dynamique du fluide (Pa.s)ρ, µ correspond to the density (kg/m3) and the dynamic viscosity of the fluid (Pa.s)
Par « PVDF ou l'un de ses dérivés » au sens de l'invention, on entend : tout polymère obtenu à partir du polyfluorure de vinylidène (PVDF), ou modifié par substitution, copolymérisation ou fonctionnalisation chimique, incluant notamment les copolymères du PVDF avec d'autres monomères fluorés, les latex de PVDF, ainsi que les polymères greffés ou fonctionnalisés apportant des propriétés supplémentaires.For the purposes of this invention, "PVDF or one of its derivatives" means any polymer obtained from polyvinylidene fluoride (PVDF), or modified by substitution, copolymerization or chemical functionalization, including in particular copolymers of PVDF with other fluorinated monomers, PVDF latexes, as well as grafted or functionalized polymers providing additional properties.
Par « régime turbulent » au sens de l’invention, on entend un régime d'écoulement caractérisé par des changements chaotiques de pression et de vitesse d'écoulement.For the purposes of this invention, "turbulent regime" means a flow regime characterized by chaotic changes in pressure and flow velocity.
Par « sans solvant polaire aprotique » au sens de l’invention, on entend que la dispersion liquide de graphène contient moins de 0,1% de solvant polaire aprotique.For the purposes of the invention, "without aprotic polar solvent" means that the liquid dispersion of graphene contains less than 0.1% of aprotic polar solvent.
Par « spectrophotométrie RAMAN» au sens de l’invention, on entend une méthode de spectroscopie vibrationnelle non destructive qui permet de déterminer la composition moléculaire et de la structure externe d’un matériau.For the purposes of this invention, "RAMAN spectrophotometry" means a non-destructive vibrational spectroscopy method that allows the determination of the molecular composition and external structure of a material.
Par « stable » au sens de l’invention, on entend que la dispersion liquide de graphène ne contient pas d’agrégat. Ainsi, les phénomènes de déstabilisation tel que le crémage ou la sédimentation n’interviennent pas au cours du temps, notamment pendant au moins 3 mois.For the purposes of this invention, "stable" means that the liquid graphene dispersion does not contain aggregates. Therefore, destabilizing phenomena such as creaming or sedimentation do not occur over time, particularly for at least 3 months.
Par « viscosité absolue » au sens de l’invention, on entend la résistance d’un fluide incompressible à l’écoulement laminaire. Elle est mesurée expérimentalement par un rhéomètre.For the purposes of this invention, "absolute viscosity" refers to the resistance of an incompressible fluid to laminar flow. It is measured experimentally using a rheometer.
Par « viscosité stable » au sens de l’invention, on entend que la viscosité présente une variation limitée dans le temps, définie par une fluctuation qui reste contenue dans une demi-décade sur une échelle logarithmique. Plus précisément, cela signifie que la viscosité peut varier d'un facteur maximum de 3,16, soit une augmentation ou diminution comprise entre 30% et 50%, sans dépasser ces limites sur une période d'au moins 3 mois. Par exemple, une viscosité qui évolue de 25-30 Pa.s à 30-35 Pa.s au cours d’un mois reste dans les critères de stabilité s'inscrivant dans cette plage de variation.For the purposes of this invention, "stable viscosity" means that the viscosity exhibits a limited variation over time, defined by a fluctuation that remains within half a decade on a logarithmic scale. More precisely, this means that the viscosity can vary by a maximum factor of 3.16, i.e., an increase or decrease of between 30% and 50%, without exceeding these limits over a period of at least three months. For example, a viscosity that changes from 25-30 Pa·s to 30-35 Pa·s over the course of a month remains within the stability criteria for this range of variation.
Dispersion liquide de graphèneLiquid dispersion of graphene
La présente invention a donc pour objet une dispersion liquide de graphène comprenant un solvant, un polymère, au moins 0,1 g/L de graphène et présentant une viscosité absolue mesurée à 25°C à l’aide d’un rhéomètre comprise entre 5mPa.s et 10Pa.s.The present invention therefore relates to a liquid dispersion of graphene comprising a solvent, a polymer, at least 0.1 g/L of graphene and having an absolute viscosity measured at 25°C using a rheometer of between 5mPa.s and 10Pa.s.
Avantageusement, une telle dispersion est stable, concentré en graphène, homogène et est simple d’utilisation.Advantageously, such a dispersion is stable, graphene-concentrated, homogeneous, and simple to use.
Selon un mode de réalisation, la dispersion selon l’invention comprend au moins 0,2, 0,3, 0,4, 0,5, 0,6, 0,7, 0,8, 0,9, 1, 2, 3, 4, ,5, 10 g/L de graphène.According to one embodiment, the dispersion according to the invention comprises at least 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1, 2, 3, 4, 5, 10 g/L of graphene.
Préférentiellement, la dispersion selon l’invention comprend entre 0,3 et 50g/L, notamment entre 0,5 et 50g/L, préférentiellement entre 1 et 50g/L, plus préférentiellement entre 1 et 20g/L, encore plus préférentiellement entre 1 et 10g/L de graphène.Preferably, the dispersion according to the invention comprises between 0.3 and 50g/L, in particular between 0.5 and 50g/L, preferably between 1 and 50g/L, more preferably between 1 and 20g/L, even more preferably between 1 and 10g/L of graphene.
Selon un mode de réalisation, le graphène représente entre 1 et 10% en poids par rapport au poids total de la dispersion.According to one embodiment, graphene represents between 1 and 10% by weight relative to the total weight of the dispersion.
Selon un mode de réalisation, le graphène représente entre 1 et 5% en poids, notamment entre 1 et 4% en poids, préférentiellement entre 1 et 3% en poids par rapport au poids total de la dispersion.According to one embodiment, graphene represents between 1 and 5% by weight, in particular between 1 and 4% by weight, preferably between 1 and 3% by weight relative to the total weight of the dispersion.
Le graphène se présente sous forme de feuillets dans la dispersion liquide de graphène.Graphene is present in the form of sheets in the liquid graphene dispersion.
De façon préférée, les feuillets de graphène présents dans la dispersion liquide de graphène présentent une épaisseur inférieure à 10 couches atomiques, encore plus préférentiellement inférieure à 5 couches atomiques. Selon un mode de réalisation au moins un feuillet de graphène présent dans la dispersion liquide de graphène présente une épaisseur inférieure à 10 couches atomiques, encore plus préférentiellement inférieure à 5 couches atomiques. De façon préférée, chaque feuillet présent dans la dispersion liquide de graphène présente une épaisseur inférieure à 10 couches atomiques, encore plus préférentiellement inférieure à 5 couches atomiques.Preferably, the graphene sheets present in the liquid graphene dispersion have a thickness of less than 10 atomic layers, and even more preferably less than 5 atomic layers. In one embodiment, at least one graphene sheet present in the liquid graphene dispersion has a thickness of less than 10 atomic layers, and even more preferably less than 5 atomic layers. Preferably, each sheet present in the liquid graphene dispersion has a thickness of less than 10 atomic layers, and even more preferably less than 5 atomic layers.
Selon une variante au moins un feuillet de graphène présente moins de 4 couches atomiques, préférentiellement moins de 3 couches atomiques, moins de deux couches atomiques. Selon un mode de réalisation, au moins un feuillet de graphène est monocouche, préférentiellement au moins deux, et selon une variante tous les feuillets de graphène sont monocouches.In one embodiment, at least one graphene sheet has fewer than four atomic layers, preferably fewer than three atomic layers, and fewer than two atomic layers. In another embodiment, at least one graphene sheet is single-layered, preferably at least two, and in yet another embodiment, all graphene sheets are single-layered.
Selon un mode de réalisation, les feuillets de graphène présents dans la dispersion liquide présentent :
- une épaisseur moyenne comprise entre 1 et 8 nm, notamment comprise 1 et 5nm, préférentiellement comprise entre 2 et 5nm, plus préférentiellement comprise entre 2 et 3nm et/ou
- une taille latérale moyenne d’au moins 200nm, notamment au moins 300nm, préférentiellement au moins 500nm, plus préférentiellement au moins 1µm.According to one embodiment, the graphene sheets present in the liquid dispersion exhibit:
- an average thickness of between 1 and 8 nm, in particular between 1 and 5 nm, preferably between 2 and 5 nm, more preferably between 2 and 3 nm and/or
- an average lateral size of at least 200nm, in particular at least 300nm, preferably at least 500nm, more preferably at least 1µm.
Avantageusement, la dispersion liquide de graphène selon l’invention présente des feuillets de graphène de bonne qualité.Advantageously, the liquid dispersion of graphene according to the invention presents sheets of graphene of good quality.
Dans le contexte de l’invention, l’épaisseur moyenne peut être mesurée par microscopie à force atomique (AFM), par spectroscopie RAMAN, en particulier à partir de la largeur à mi-hauteur de la bande 2D (FWHM 2D) ainsi que par microscopie électronique à transmission (TEM).In the context of the invention, the average thickness can be measured by atomic force microscopy (AFM), by RAMAN spectroscopy, in particular from the full width at half maximum (FWHM) of the 2D band, as well as by transmission electron microscopy (TEM).
L’épaisseur moyenne est un paramètre directement lié au nombre de couche atomique du graphène, c’est donc un bon indicateur de la qualité du graphène. A titre d’exemple, un graphène présentant une épaisseur moyenne de 15nm comprend plusieurs dizaines de couches atomiques. Avec une telle épaisseur, le graphène perd la majorité des propriétés uniques de la mono-couche de graphène et ressemble davantage au graphite. Sa conductivité peut être plus faible en raison de la plus grande résistance inter-feuillet, et sa surface spécifique est également réduite, ce qui limite son efficacité dans des applications où une interaction maximale avec l’environnement est souhaitée (comme les additifs dans des électrodes ou les matériaux composites). En termes de dispersion, un graphène plus épais peut avoir une tendance accrue à l’agglomération, ce qui peut nuire à ses performances globales.Average thickness is a parameter directly related to the number of atomic layers in graphene, making it a good indicator of graphene quality. For example, graphene with an average thickness of 15 nm comprises several dozen atomic layers. At this thickness, graphene loses most of the unique properties of monolayer graphene and becomes more like graphite. Its conductivity may be lower due to the increased interlayer resistance, and its specific surface area is also reduced, limiting its effectiveness in applications where maximum interaction with the environment is desired (such as additives in electrodes or composite materials). In terms of dispersion, thicker graphene may have a greater tendency to agglomerate, which can negatively impact its overall performance.
Préférentiellement, les feuillets de graphène présents dans la dispersion liquide présentent une épaisseur moyenne inférieure à 10nm, notamment inférieure à 8nm, préférentiellement inférieure à 5nm, plus préférentiellement inférieure à 3nm, encore plus préférentiellement inférieur à 2nm.Preferably, the graphene sheets present in the liquid dispersion have an average thickness of less than 10nm, in particular less than 8nm, preferably less than 5nm, more preferably less than 3nm, even more preferably less than 2nm.
La taille latérale influence également la conductivité du graphène ainsi que sa capacité à se disperser dans des solutions ou des composites. Un graphène avec une grande taille latérale offre un chemin conducteur plus long et réduit le nombre de jonctions entre les feuillets, ce qui peut améliorer la conductivité. Cependant, des tailles latérales trop importantes peuvent nuire à la capacité du matériau à se disperser uniformément dans certaines matrices, ce qui peut limiter ses applications dans les composites ou les électrodes.Lateral size also influences the conductivity of graphene as well as its ability to disperse in solutions or composites. Graphene with a large lateral size offers a longer conductive path and reduces the number of junctions between the sheets, which can improve conductivity. However, excessively large lateral sizes can impair the material's ability to disperse uniformly in certain matrices, potentially limiting its applications in composites or electrodes.
Selon un mode de réalisation, les feuillets de graphène présents dans la dispersion liquide présentent une taille latérale moyenne comprise entre 300nm et 5µm, notamment comprise entre 300nm et 2µm, préférentiellement comprise entre 300nm et 2µm, plus préférentiellement comprise entre 500 et 800nm.According to one embodiment, the graphene sheets present in the liquid dispersion have an average lateral size between 300nm and 5µm, in particular between 300nm and 2µm, preferably between 300nm and 2µm, more preferably between 500nm and 800nm.
Selon un mode de réalisation particulier, les feuillets de graphène présents dans la dispersion liquide présentent une taille latérale moyenne comprise entre 1 et 2µm.According to a particular embodiment, the graphene sheets present in the liquid dispersion have an average lateral size of between 1 and 2µm.
Dans le contexte de l’invention, la taille latérale moyenne des feuillets de graphène est mesurée par microscopie électronique à transmission ou par microscopie à forme atomique.In the context of the invention, the average lateral size of the graphene sheets is measured by transmission electron microscopy or by atom shape microscopy.
La dispersion liquide de graphène selon l’invention est stable, préférentiellement pendant une durée d’au moins 3 mois. Ainsi, pendant au moins 3 mois, la dispersion liquide de graphène selon l’invention ne présente aucun agrégat notamment aucun agrégat issu de la réagrégation des feuillets de graphène. Dans le contexte de l’invention, il est possible de vérifier la stabilité de la dispersion liquide au cours du temps par suivi de la viscosité. En effet, si la viscosité augmente fortement, c’est-à-dire une fluctuation de la viscosité supérieure à une demi-décade sur une échelle logarithmique au cours du temps, cela signifie qu’il y a une réagrégation du graphène.The liquid graphene dispersion according to the invention is stable, preferably for a period of at least 3 months. Thus, for at least 3 months, the liquid graphene dispersion according to the invention exhibits no aggregation, in particular no aggregation resulting from the reaggregation of graphene sheets. In the context of the invention, it is possible to verify the stability of the liquid dispersion over time by monitoring the viscosity. Indeed, if the viscosity increases significantly, that is, a viscosity fluctuation exceeding half a decade on a logarithmic scale over time, this indicates that graphene reaggregation is occurring.
Ainsi, selon un mode de réalisation préféré de l’invention, la dispersion liquide de graphène présente une viscosité stable, préférentiellement pendant une durée d’au moins 3 mois.Thus, according to a preferred embodiment of the invention, the liquid dispersion of graphene exhibits a stable viscosity, preferably for a period of at least 3 months.
De façon préférée, la dispersion liquide de graphène présente une viscosité absolue mesurée à 25°C sous l’effet d’un cisaillement de 10s-1 à l’aide d’un rhéomètre comprise entre 100mPa.s et 10Pa.s.Preferably, the liquid dispersion of graphene exhibits an absolute viscosity measured at 25°C under the effect of a shear of 10s-1 using a rheometer between 100mPa.s and 10Pa.s.
Avantageusement, la viscosité particulière de la dispersion liquide de graphène selon l’invention lui permet de garantir une stabilité et une concentration en graphène particulièrement élevée.Advantageously, the particular viscosity of the liquid graphene dispersion according to the invention allows it to guarantee a particularly high stability and graphene concentration.
De façon préférée, la dispersion selon l’invention est prête à l’emploi. En effet, elle ne nécessite aucune étape de préparation et peut-être utiliser telle qu’elle, notamment pour des utilisations en tant d’additif, préférentiellement en tant qu’additif conducteur d’électrode.Preferably, the dispersion according to the invention is ready for use. Indeed, it requires no preparation step and can be used as is, particularly for uses as an additive, preferably as an electrode conductive additive.
Selon un mode de réalisation, la dispersion liquide de graphène selon l’invention comprend un polymère représentant entre 2 et 10% en poids, notamment entre 2 et 5% en poids par rapport au poids total de la dispersion.According to one embodiment, the liquid graphene dispersion according to the invention comprises a polymer representing between 2 and 10% by weight, in particular between 2 and 5% by weight relative to the total weight of the dispersion.
De façon préférée, la dispersion selon l’invention comprend un polymère choisi parmi le polymère est choisi parmi le Polyfluorure de vinylidène (PVDF), polytétrafluoroéthylène (PTFE), caoutchouc d'éthylène-propylène-diène monomère (EPDM), ou carboxyméthylcellulose (CMC), caoutchouc nitrile-butadiène (NBR), caoutchouc styrène-butadiène (SBR), polyacrylate de lithium (LiPAA), polyacrylate de sodium (NaPAA), poly(acide acrylique) (PAA), polyimide, polyamide, alginate de sodium, alginate de lithium et leurs combinaisons.Preferably, the dispersion according to the invention comprises a polymer selected from Polyvinylidene Fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), ethylene propylene diene monomer rubber (EPDM), or carboxymethylcellulose (CMC), nitrile butadiene rubber (NBR), styrene butadiene rubber (SBR), lithium polyacrylate (LiPAA), sodium polyacrylate (NaPAA), poly(acrylic acid) (PAA), polyimide, polyamide, sodium alginate, lithium alginate and combinations thereof.
Selon un mode de réalisation particulièrement préféré, la dispersion selon l’invention comprend le Polyfluorure de vinylidène (PVDF).According to a particularly preferred embodiment, the dispersion according to the invention comprises Polyvinylidene Fluoride (PVDF).
Selon une variante, la dispersion selon l’invention comprend le Polyfluorure de vinylidène (PVDF) ou l’un de ses dérivés.According to one variant, the dispersion according to the invention comprises Polyvinylidene Fluoride (PVDF) or one of its derivatives.
Selon un mode de réalisation, la dispersion liquide de graphène selon l’invention comprend un solvant représentant entre 80 et 97% en poids par rapport au poids total de la dispersion.According to one embodiment, the liquid graphene dispersion according to the invention comprises a solvent representing between 80 and 97% by weight relative to the total weight of the dispersion.
Selon un mode de réalisation, la dispersion selon l’invention comprend un solvant aprotique polaire.According to one embodiment, the dispersion according to the invention comprises a polar aprotic solvent.
Selon un mode de réalisation préféré, la dispersion selon l’invention comprend un solvant aprotique polaire présentant une constante diélectrique comprise entre 5 et 200.According to a preferred embodiment, the dispersion according to the invention comprises a polar aprotic solvent having a dielectric constant between 5 and 200.
Selon un mode de réalisation préféré, la dispersion selon l’invention comprend un solvant aprotique polaire choisi parmi le dimethylformamide (DMF), dimethyl sulfoxide (DMSO), propylène carbonate (PC), acétonitrile, tétrahydrofurane (THF) le N-méthyl-2-pyrrolidone (NMP), le 2-Méthyltétrahydrofurane (Me-THF), le cyclopentylmethylether et leurs combinaisons.According to a preferred embodiment, the dispersion according to the invention comprises a polar aprotic solvent selected from dimethylformamide (DMF), dimethyl sulfoxide (DMSO), propylene carbonate (PC), acetonitrile, tetrahydrofuran (THF), N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), 2-methyltetrahydrofuran (Me-THF), cyclopentylmethylether and their combinations.
Préférentiellement, la dispersion selon l’invention comprend le N-méthyl-2-pyrrolidone (NMP).Preferably, the dispersion according to the invention comprises N-methyl-2-pyrrolidone (NMP).
Selon un mode de réalisation, la dispersion selon l’invention comprend le N-méthyl-2-pyrrolidone (NMP) et le Polyfluorure de vinylidène (PVDF).According to one embodiment, the dispersion according to the invention comprises N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) and polyvinylidene fluoride (PVDF).
En fonction de la nature du polymère et du solvant utilisé, l’Homme du métier est capable de sélectionner une méthode adaptée pour vérifier l’absence d’agrégat notamment par microscopie optique, par corrélation entre microscopie et observation de l’effet Tyndal, par mesure de la conductivité, par suivi de la viscosité ou par spectrophotométrie.Depending on the nature of the polymer and the solvent used, a person skilled in the art is able to select a suitable method to verify the absence of aggregates, in particular by optical microscopy, by correlation between microscopy and observation of the Tyndall effect, by measurement of conductivity, by monitoring of viscosity or by spectrophotometry.
Selon un mode de réalisation préféré de l’invention, la dispersion liquide de graphène présente un spectre d’absorption en spectroscopie UV-visible comprenant un pic à 269 nm.According to a preferred embodiment of the invention, the liquid dispersion of graphene exhibits an absorption spectrum in UV-visible spectroscopy comprising a peak at 269 nm.
L’absorbance peut être mesurée à l’aide d’un spectrophotomètre UV. La spectroscopie UV est une des techniques utilisées selon l’invention pour garantir l’absence d’agrégat.Absorbance can be measured using a UV spectrophotometer. UV spectroscopy is one of the techniques used according to the invention to ensure the absence of aggregates.
Avantageusement, la présence d’un pic à 269nm est un paramètre décrivant la présence de graphène. Il s’agit ainsi d’un indicateur de la qualité de la dispersion démontrant que la solution contient du graphène et non du graphite ou du graphène oxydé. Ainsi la présence d’un pic à 269nm est un indicateur indirect de la stabilité de la dispersion liquide de graphène.Advantageously, the presence of a peak at 269 nm is a parameter describing the presence of graphene. It is thus an indicator of the quality of the dispersion, demonstrating that the solution contains graphene and not graphite or oxidized graphene. Therefore, the presence of a peak at 269 nm is an indirect indicator of the stability of the liquid graphene dispersion.
Selon un autre mode de réalisation, la dispersion liquide de graphène selon l’invention présente un spectre d’absorption UV-visible ne comprenant pas de pic à 230nm.According to another embodiment, the liquid graphene dispersion according to the invention has a UV-visible absorption spectrum that does not include a peak at 230nm.
Lorsque la dispersion liquide de graphène comprend dans son spectre d’absorption UV-visible un pic à 230nm, cela signifie la présence d’oxyde de graphène, élément indésirable à ce stade du procédé.When the liquid graphene dispersion includes a peak at 230nm in its UV-visible absorption spectrum, this indicates the presence of graphene oxide, an undesirable element at this stage of the process.
La dispersion liquide de graphène selon l’invention peut être caractérisée à l’aide de 3 bandes vibrationnelles caractéristique du graphène observée par spectrophotométrie RAMAN, à savoir :
- 1350 cm-1 (pic D) ;
- 1580 cm-1 (pic G) ; et
- entre 2680 et 2700 cm-1 (pic 2D).The liquid dispersion of graphene according to the invention can be characterized using 3 vibrational bands characteristic of graphene observed by RAMAN spectrophotometry, namely:
- 1350 cm-1 (pic D);
- 1580 cm-1 (peak G); and
- between 2680 and 2700 cm-1 (peak 2D).
Ces trois pics sont caractéristiques d’une signature graphitique et démontre la présence d’un graphène non fonctionnalisé et non oxydé.These three peaks are characteristic of a graphitic signature and demonstrate the presence of non-functionalized and non-oxidized graphene.
Ainsi, selon un mode de réalisation particulièrement préféré, la dispersion liquide de graphène comprend 3 bandes vibrationnelles caractéristique du graphène observées par spectrophotométrie RAMAN :
- 1350 cm-1 (pic D) ;
- 1580 cm-1 (pic G) ; et
- entre 2680 et 2700 cm-1 (pic 2D).Thus, according to a particularly preferred embodiment, the liquid dispersion of graphene comprises 3 vibrational bands characteristic of graphene observed by RAMAN spectrophotometry:
- 1350 cm-1 (peak D);
- 1580 cm-1 (peak G); and
- between 2680 and 2700 cm-1 (peak 2D).
La présence du pic D est représentative d’un désordre ou de défaut (sp3) sur les feuillets de graphène. La présence du pic G est quant à elle représentative de la présence de graphène (vibration sp2 dans le plan). Enfin, la présence du pic 2D est représentative du nombre de couche. Lorsque le pic 2D est fin, symétrique et intense, il s’agit de monofeuillet. Lorsque le pic 2D est large, avec épaulement et de faible intensité, il s’agit de graphite.The presence of peak D indicates disorder or a defect (sp3) in the graphene sheets. Peak G indicates the presence of graphene (sp2 vibration in the plane). Finally, peak 2D indicates the number of layers. When peak 2D is narrow, symmetrical, and intense, it indicates a single sheet. When peak 2D is broad, has a shoulder, and is of low intensity, it indicates graphite.
Ainsi, l’intensité des bandes vibrationnelles de la dispersion liquide de graphène peut être utilisée pour définir la qualité de ladite dispersion.Thus, the intensity of the vibrational bands of the liquid graphene dispersion can be used to define the quality of said dispersion.
Selon un mode de réalisation, la dispersion liquide de graphène comprend :
- un ratio d’intensité pic D / intensité pic G inférieur à 1,5 ; et
- un ratio d’intensité pic 2D / intensité G supérieur à 1.According to one embodiment, the liquid dispersion of graphene comprises:
- a peak intensity D / peak intensity G ratio of less than 1.5; and
- a 2D peak intensity / G intensity ratio greater than 1.
Selon un autre mode de réalisation, la dispersion liquide de graphène comprend :
- un pic D présentant une largeur à mi-hauteur inférieur à 33 cm-1 ; et/ou
- un pic 2D présentant une largeur à mi-hauteur inférieur à 55cm-1, préférentiellement inférieur à 50cm-1.According to another embodiment, the liquid dispersion of graphene comprises:
- a peak D with a full width at half maximum (FWHM) of less than 33 cm-1; and/or
- a 2D peak with a full width at half maximum less than 55cm-1, preferably less than 50cm-1.
Avantageusement, l’intensité et la largeur à mi-hauteur des bande vibrationnelles permettent de démontrer la qualité du graphène présent dans la dispersion.Advantageously, the intensity and full width at half maximum of the vibrational bands allow us to demonstrate the quality of the graphene present in the dispersion.
La spectroscopie UV, la spectrophotométrie RAMAN, sont des paramètres pouvant être mesuré au cours du temps pour montrer la stabilité et/ou la qualité de la dispersion liquide de graphène selon l’invention.UV spectroscopy and RAMAN spectrophotometry are parameters that can be measured over time to show the stability and/or quality of the liquid graphene dispersion according to the invention.
Selon un mode de réalisation préféré de l’invention, la dispersion liquide de graphène est susceptible d’être obtenue par le procédé d’obtention d’une dispersion liquide décrit ou l’un des quelconques modes de réalisation.According to a preferred embodiment of the invention, the liquid dispersion of graphene can be obtained by the process for obtaining a liquid dispersion described or by any other embodiment.
Ainsi, la dispersion liquide de graphène est susceptible d’être obtenue par la mise en œuvre des étapes suivantes :
1) Solubilisation de graphite réalisée sous atmosphère inerte de façon à obtenir une solution de graphènure par la mise en œuvre des étapes suivantes :
a) Intercalation d’au moins un métal alcalin dans du graphite réalisée sous atmosphère inerte conduisant à un composé d’intercalation du graphite ; et
b) Exfoliation chimique et/ou exfoliation mécanique réalisée sous atmosphère inerte du composé d’intercalation du graphite, de façon à obtenir une solution de graphènure ;
2) Oxydation de la solution de graphènure obtenue à l’étape b) pour obtenir une dispersion organique de graphène ; et
3) Transfert de la dispersion organique de graphène dans un polymère formant une dispersion liquide de graphène.Thus, liquid graphene dispersion can be obtained by implementing the following steps:
1) Solubilization of graphite carried out under an inert atmosphere to obtain a graphene solution by implementing the following steps:
a) Intercalation of at least one alkali metal into graphite carried out under an inert atmosphere leading to a graphite intercalation compound; and
b) Chemical exfoliation and/or mechanical exfoliation carried out under an inert atmosphere of the graphite intercalation compound, so as to obtain a graphenide solution;
2) Oxidation of the graphene solution obtained in step b) to obtain an organic dispersion of graphene; and
3) Transfer of the organic dispersion of graphene into a polymer forming a liquid dispersion of graphene.
Préférentiellement, la dispersion liquide de graphène est susceptible d’être obtenue par la mise en œuvre des étapes suivantes :
1) Solubilisation de graphite réalisée sous atmosphère inerte de façon à obtenir une solution de graphènure par la mise en œuvre des étapes suivantes :
a) Intercalation d’au moins un métal alcalin dans du graphite réalisée sous atmosphère inerte conduisant à un composé d’intercalation du graphite ;
b) Exfoliation chimique et/ou exfoliation mécanique réalisée sous atmosphère inerte du composé d’intercalation du graphite, de façon à obtenir une solution de graphènure ;
b’) Elimination des agrégats de la solution de graphènure obtenue à l’étape b), préférentiellement par sédimentation et/ou centrifugation. Plus particulièrement, l’étape b’) peut comprendre les étapes suivantes :
- Sédimentation et rejet des agrégats situés dans la partie inférieure de la solution de graphènure et/ou
- Centrifugation et rejet des agrégats situés dans la partie inférieure de la solution de graphènure.
2) Oxydation de la solution de graphènure sans agrégat obtenue à l’étape b’)pour obtenir une dispersion organique de graphène ; et
3) Transfert de la dispersion organique de graphène dans un polymère formant une dispersion liquide de graphène ; et
4) Evaporation et/ou distillation du solvant polaire aprotique.Preferably, liquid graphene dispersion can be obtained by implementing the following steps:
1) Solubilization of graphite carried out under an inert atmosphere to obtain a graphene solution by implementing the following steps:
a) Intercalation of at least one alkali metal into graphite carried out under an inert atmosphere leading to a graphite intercalation compound;
b) Chemical exfoliation and/or mechanical exfoliation carried out under an inert atmosphere of the graphite intercalation compound, so as to obtain a graphenide solution;
b') Removal of aggregates from the graphene solution obtained in step b), preferably by sedimentation and/or centrifugation. More specifically, step b') may include the following steps:
- Sedimentation and rejection of aggregates located in the lower part of the graphene solution and/or
- Centrifugation and rejection of aggregates located in the lower part of the graphene solution.
2) Oxidation of the aggregate-free graphene solution obtained in step b') to obtain an organic graphene dispersion; and
3) Transfer of the organic graphene dispersion into a polymer forming a liquid graphene dispersion; and
4) Evaporation and/or distillation of the aprotic polar solvent.
Selon un mode de réalisation particulièrement préféré, la dispersion liquide de graphène est susceptible d’être obtenue par la mise en œuvre des étapes suivantes :
1) Solubilisation de graphite réalisée sous atmosphère inerte de façon à obtenir une solution de graphènure par la mise en œuvre des étapes suivantes :
a) Intercalation d’au moins un métal alcalin dans du graphite réalisée sous atmosphère inerte conduisant à un composé d’intercalation du graphite ;
b) Exfoliation chimique combinée à une exfoliation mécanique réalisée sous atmosphère inerte du composé d’intercalation du graphite caractérisées en ce que le composé d’intercalation du graphite est mélangé à un solvant dans un régime turbulent présentant :
- un nombre de Reynolds supérieur à 1000 ;
- un nombre de Froude inférieur à 1 ; et
- un taux de cisaillement inférieur à 400s-1, de façon à obtenir une solution de graphènure ;
b’) Elimination des agrégats de la solution de graphènure obtenue à l’étape b), préférentiellement par sédimentation et/ou centrifugation. Plus particulièrement, l’étape b’) peut comprendre les étapes suivantes :
- Sédimentation et rejet des agrégats situés dans la partie inférieure de la solution de graphènure et/ou
- Centrifugation et rejet des agrégats situés dans la partie inférieure de la solution de graphènure.
2) Oxydation de la solution de graphènure sans agrégat obtenue à l’étape b’) pour obtenir une dispersion organique de graphène ;
3) Transfert de la dispersion organique de graphène dans un polymère formant une dispersion liquide de graphène ; et
4) Evaporation et/ou distillation du solvant polaire aprotique.According to a particularly preferred embodiment, the liquid dispersion of graphene can be obtained by carrying out the following steps:
1) Solubilization of graphite carried out under an inert atmosphere to obtain a graphene solution by implementing the following steps:
a) Intercalation of at least one alkali metal into graphite carried out under an inert atmosphere leading to a graphite intercalation compound;
b) Chemical exfoliation combined with mechanical exfoliation carried out under an inert atmosphere of the graphite intercalation compound, characterized in that the graphite intercalation compound is mixed with a solvent in a turbulent regime exhibiting:
- a Reynolds number greater than 1000;
- a Froude number less than 1; and
- a shear rate of less than 400s-1, in order to obtain a graphene solution;
b') Removal of aggregates from the graphene solution obtained in step b), preferably by sedimentation and/or centrifugation. More specifically, step b') may include the following steps:
- Sedimentation and rejection of aggregates located in the lower part of the graphene solution and/or
- Centrifugation and rejection of aggregates located in the lower part of the graphene solution.
2) Oxidation of the aggregate-free graphene solution obtained in step b') to obtain an organic dispersion of graphene;
3) Transfer of the organic graphene dispersion into a polymer forming a liquid graphene dispersion; and
4) Evaporation and/or distillation of the aprotic polar solvent.
Selon un mode de réalisation particulier, la dispersion selon l’invention comprend :
*entre 80 et 97% de solvant en poids par rapport au poids total de la dispersion ;
According to a particular embodiment, the dispersion according to the invention comprises:
*between 80 and 97% solvent by weight relative to the total weight of the dispersion;
* entre 2 et 10% de polymère en poids par rapport au poids total de la dispersion ; et* between 2 and 10% polymer by weight relative to the total weight of the dispersion; and
* entre 1et 10% de graphène en poids par rapport au poids total de la dispersion.* between 1 and 10% graphene by weight relative to the total weight of the dispersion.
Selon un mode de réalisation particulier, la dispersion selon l’invention comprend :
- le N-méthyl-2-pyrrolidone (NMP) ; et
- le Polyfluorure de vinylidène (PVDF).According to a particular embodiment, the dispersion according to the invention comprises:
- N-methyl-2-pyrrolidone (NMP); and
- Polyvinylidene fluoride (PVDF).
Selon un mode de réalisation particulier, la dispersion selon l’invention comprend :
- entre 2 et 10%, préférentiellement entre 3 et 6%, notamment entre 3 et 5% de Polyfluorure de vinylidène (PVDF) en poids par rapport au poids total de la dispersion ;
- entre 80 et 97%, préférentiellement entre 90 et 95%, notamment entre 91 et 94% de N-méthyl-2-pyrrolidone (NMP) en poids par rapport au poids total de la dispersion.; et
- entre 1 et 10%, préférentiellement entre 2 et 8%, notamment entre 3 et 5% de graphène en poids par rapport au poids total de la dispersion.According to a particular embodiment, the dispersion according to the invention comprises:
- between 2 and 10%, preferably between 3 and 6%, in particular between 3 and 5% of Polyvinylidene Fluoride (PVDF) by weight relative to the total weight of the dispersion;
- between 80 and 97%, preferably between 90 and 95%, in particular between 91 and 94% of N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) by weight relative to the total weight of the dispersion; and
- between 1 and 10%, preferably between 2 and 8%, in particular between 3 and 5% of graphene by weight relative to the total weight of the dispersion.
ProcédéProcess d’obtention d’une dispersion liquideobtaining a liquid dispersion de graphènegraphene
L’invention a également pour objet un procédé d’obtention d’une dispersion liquide de graphène.The invention also relates to a method for obtaining a liquid dispersion of graphene.
Le procédé d’obtention d’une dispersion liquide de graphène selon l’invention comprend les étapes suivantes :
1) Solubilisation de graphite réalisée sous atmosphère inerte formant une solution de graphènure ;
2) Oxydation de la solution de graphènure obtenue à l’étape 1) formant la dispersion organique de graphène ; et
3) Transfert de la dispersion organique de graphène obtenue à l’étape 2) dans un polymère formant une dispersion liquide de graphène.The process for obtaining a liquid dispersion of graphene according to the invention comprises the following steps:
1) Solubilization of graphite carried out under an inert atmosphere forming a graphene solution;
2) Oxidation of the graphene solution obtained in step 1) forming the organic graphene dispersion; and
3) Transfer of the organic graphene dispersion obtained in step 2) into a polymer forming a liquid graphene dispersion.
Avantageusement, le procédé d’obtention d’une dispersion liquide de graphène permet d’obtenir une dispersion liquide de graphène sans agrégat, stable, et comprenant jusqu’à 50g/L de graphène.Advantageously, the process of obtaining a liquid graphene dispersion makes it possible to obtain a stable, aggregate-free liquid graphene dispersion containing up to 50g/L of graphene.
De façon préférée, l’étape 1) de solubilisation du graphite réalisée sous atmosphère inerte comprend la mise en œuvre des étapes suivantes :
a) Intercalation d’au moins un métal alcalin dans du graphite conduisant à un composé d’intercalation du graphite ; et
b) Exfoliation chimique et/ou exfoliation mécanique du composé d’intercalation du graphite.Preferably, step 1) of graphite solubilization carried out under an inert atmosphere includes the implementation of the following steps:
a) Intercalation of at least one alkali metal into graphite leading to a graphite intercalation compound; and
b) Chemical exfoliation and/or mechanical exfoliation of the graphite intercalation compound.
Selon un mode de réalisation préféré, le procédé de solubilisation du graphite réalisée sous atmosphère inerte de l’étape 1) comprend les étapes suivantes, réalisées sous atmosphère inerte :
a) Intercalation d’au moins un métal alcalin dans du graphite conduisant à un composé d’intercalation du graphite ;
b) Exfoliation chimique combinée à une exfoliation mécanique du composé d’intercalation du graphite, caractérisées en ce que le composé d’intercalation du graphite est mélangé à un solvant dans un régime turbulent présentant :
- un nombre de Reynolds supérieur à 1000 ;
- un nombre de Froude inférieur à 1 ; et
- un taux de cisaillement inférieur à 400s-1,
de façon à obtenir une solution de graphènure.According to a preferred embodiment, the graphite solubilization process carried out under an inert atmosphere in step 1) comprises the following steps, carried out under an inert atmosphere:
a) Intercalation of at least one alkali metal in graphite leading to a graphite intercalation compound;
b) Chemical exfoliation combined with mechanical exfoliation of the graphite intercalation compound, characterized in that the graphite intercalation compound is mixed with a solvent in a turbulent regime exhibiting:
- a Reynolds number greater than 1000;
- a Froude number less than 1; and
- a shear rate of less than 400s-1,
in order to obtain a graphene solution.
Selon un autre mode de réalisation, le procédé de solubilisation de graphite réalisée sous atmosphère inerte de l’étape 1) comprend les étapes suivantes :
a) Intercalation d’au moins un métal alcalin dans du graphite conduisant à un composé d’intercalation du graphite ;
b) Exfoliation chimique du composé d’intercalation du graphite à l’aide d’un solvant, préférentiellement à l’aide d’un solvant polaire aprotique, de façon préférée le NMP, de façon à obtenir une solution de graphènure.According to another embodiment, the graphite solubilization process carried out under an inert atmosphere in step 1) comprises the following steps:
a) Intercalation of at least one alkali metal in graphite leading to a graphite intercalation compound;
b) Chemical exfoliation of the graphite intercalation compound using a solvent, preferably using an aprotic polar solvent, preferably NMP, to obtain a graphenide solution.
Selon un autre mode de réalisation, le procédé de solubilisation du graphite réalisée sous atmosphère inerte de l’étape 1) comprend les étapes suivantes :
a) Intercalation d’au moins un métal alcalin par du graphite conduisant à un composé d’intercalation du graphite ;
b) Exfoliation mécanique du composé d’intercalation du graphite caractérisée en ce que le composé d’intercalation du graphite est mélangé dans un régime turbulent présentant :
- un nombre de Reynolds supérieur à 1000 ;
- un nombre de Froude inférieur à 1 ; et
- un taux de cisaillement inférieur à 400s-1,
de façon à obtenir une solution de graphènure.According to another embodiment, the graphite solubilization process carried out under an inert atmosphere in step 1) comprises the following steps:
a) Intercalation of at least one alkali metal by graphite leading to a graphite intercalation compound;
b) Mechanical exfoliation of the graphite intercalation compound characterized in that the graphite intercalation compound is mixed in a turbulent regime exhibiting:
- a Reynolds number greater than 1000;
- a Froude number less than 1; and
- a shear rate of less than 400s-1,
in order to obtain a graphene solution.
Avantageusement, le procédé de solubilisation du graphite selon l’invention permet de solubiliser efficacement le graphite afin de produire une solution de graphènure comprenant une concentration suffisante en graphène de bonne qualité pour prévoir une utilisation industrielle.Advantageously, the graphite solubilization process according to the invention makes it possible to efficiently solubilize graphite in order to produce a graphene solution comprising a sufficient concentration of good quality graphene for industrial use.
Le graphite utilisé dans l’étape a) peut être un graphite naturel ou synthétique.The graphite used in step a) can be natural or synthetic graphite.
Préférentiellement, le graphite de l’étape a) présente une proportion de carbone d’au moins 99%. De façon préférée, le graphite de l’étape a) présente une granulométrie comprise entre 100 µm et 5mm, notamment entre 300 et 800µm.Preferably, the graphite of step a) has a carbon content of at least 99%. Preferably, the graphite of step a) has a particle size between 100 µm and 5 mm, in particular between 300 and 800 µm.
Selon un mode de réalisation préféré, au moins un métal alcalin intercalé dans du graphite de l’étape a) est choisi parmi le potassium, sodium, lithium, rubidium et le césium. Préférentiellement, au moins un métal alcalin intercalé dans du graphite à l’étape a) est le potassium.According to a preferred embodiment, at least one alkali metal intercalated in graphite in step a) is chosen from potassium, sodium, lithium, rubidium, and cesium. Preferably, at least one alkali metal intercalated in graphite in step a) is potassium.
Dans un autre mode de réalisation, l’intercalation à l’étape a) se fait en présence d'un sel de métal alcalin obtenu à partir d'un métal alcalin. Par exemple, l’intercalation peut se faire en présence d'un sel polyaryl alcalin de formule A+B-, dans laquelle A+ représente un cation d'un ion alcalin, et B- représente un anion d'un composé polyaromatique.In another embodiment, the intercalation in step a) is carried out in the presence of an alkali metal salt obtained from an alkali metal. For example, the intercalation can be carried out in the presence of an alkali polyaryl salt of formula A+B-, in which A+ represents a cation of an alkali ion, and B- represents an anion of a polyaromatic compound.
De tels sels polyaryl alcalin et leur procédé de fabrication sont décrits par exemple dans (C. Stein, J. Poulenard, L. Bonnetain, J. Golé, C.R. Acad. Sci. Paris 260, 4503 (1965) ; « Synthesis of graphite intercalation compounds », A. Hérold in Chemical physics of intercalation, A.P. Legrand et S. Flandrois Eds, NATO ASI Series, series B, Vol. 172, pp. 3-45 (1987) ; F. Béguin et R. Setton New ternary lamellar compounds of graphite, Carbon 13, 293-)295 (1975).Such alkali polyaryl salts and their manufacturing process are described for example in (C. Stein, J. Poulenard, L. Bonnetain, J. Golé, C.R. Acad. Sci. Paris 260, 4503 (1965); “Synthesis of graphite intercalation compounds”, A. Hérold in Chemical physics of intercalation, A.P. Legrand and S. Flandrois Eds, NATO ASI Series, series B, Vol. 172, pp. 3-45 (1987); F. Béguin and R. Setton New ternary lamellar compounds of graphite, Carbon 13, 293-295 (1975).
Selon un mode de réalisation, le composé polyaromatique est choisi dans le groupe comprenant le naphtalène, la benzophénone, la fluorénone, la benzoquinone et l'anthraquinone.According to one embodiment, the polyaromatic compound is chosen from the group comprising naphthalene, benzophenone, fluorenone, benzoquinone and anthraquinone.
Dans un mode de réalisation particulier, le composé polyaromatique est le naphtalène.In one particular embodiment, the polyaromatic compound is naphthalene.
Dans un autre mode de réalisation particulier, le sel polyaryl alcalin est un sel polyaryl de potassium (c'est-à-dire, un sel de formule A+B-, dans laquelle A+ représente K+).In another particular embodiment, the alkali polyaryl salt is a potassium polyaryl salt (that is, a salt of formula A+B-, in which A+ represents K+).
Avantageusement, le sel polyaryl alcalin de formule A+B-, est un sel de potassium de naphthalene (Naph- K+).Advantageously, the alkali polyaryl salt of formula A+B-, is a potassium salt of naphthalene (Naph- K+).
Ainsi, à l’issue de l’intercalation d’au moins un métal alcalin dans le graphite, les feuillets de graphène constituant le composé d’intercalation du graphite, sont chargés négativement, on parle alors de graphènure. Ces charges négatives contribuent à améliorer la solubilité des feuillets de graphène.Thus, after the intercalation of at least one alkali metal into graphite, the graphene sheets constituting the graphite intercalation compound are negatively charged; this is then referred to as graphenide. These negative charges contribute to improving the solubility of the graphene sheets.
De façon préférée, le composé d’intercalation du graphite de l’étape a) se présente sous la forme d’un composé binaire de formule KC8.Preferably, the graphite intercalation compound of step a) is in the form of a binary compound of formula KC8.
Selon un mode de réalisation particulier de l’invention, le composé d’intercalation du graphite obtenu à l’étape a) présente une distance inter-feuillets de graphène d’au moins 5 Ångström.According to a particular embodiment of the invention, the graphite intercalation compound obtained in step a) has an inter-sheet graphene distance of at least 5 Ångström.
La mesure de la distance inter-feuillets de graphène peut s’effectuer sous atmosphère inerte par des méthodes bien connues de l’homme du métier telles que la diffraction des rayons X.The measurement of the inter-sheet distance of graphene can be carried out under an inert atmosphere by methods well known to those skilled in the art, such as X-ray diffraction.
Avantageusement, lorsque l’étape b) comprend une exfoliation chimique, celle-ci permet de remplacer les interactions de Van der waals interfeuillets du graphite par des interactions électrostatiques. Ainsi, exposée à un solvant adapté, l’entropie des contres-ions des liaisons électrostatiques permet d’avoir une énergie libre de dissolution négative. En d’autres termes, l’exposition du composé d’intercalation à un solvant adapté permet de faciliter sa solubilisation.Advantageously, when step b) includes chemical exfoliation, this allows the interlayer Van der Waals interactions of graphite to be replaced by electrostatic interactions. Thus, when exposed to a suitable solvent, the entropy of the counterions of the electrostatic bonds results in a negative free energy of dissolution. In other words, exposing the intercalating compound to a suitable solvent facilitates its solubilization.
Selon un mode de réalisation préféré, l’exfoliation chimique de l’étape b) est réalisée en exposant le composé d’intercalation du graphite à un solvant polaire aprotique. Préférentiellement ledit solvant polaire aprotique a une constante diélectrique comprise entre 5 et 200.According to a preferred embodiment, the chemical exfoliation of step b) is carried out by exposing the graphite intercalation compound to a polar aprotic solvent. Preferably, said polar aprotic solvent has a dielectric constant between 5 and 200.
Préférentiellement, le solvant polaire aprotique est choisi parmi : le dimethylformamide (DMF), dimethyl sulfoxide (DMSO), propylène carbonate (PC), acétonitrile, tétrahydrofurane (THF) le N-méthyl-2-pyrrolidone (NMP), le 2-Méthyltétrahydrofurane (Me-THF), le cyclopentylmethylether et leurs combinaisons.Preferably, the aprotic polar solvent is chosen from: dimethylformamide (DMF), dimethyl sulfoxide (DMSO), propylene carbonate (PC), acetonitrile, tetrahydrofuran (THF), N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), 2-methyltetrahydrofuran (Me-THF), cyclopentylmethyl ether and their combinations.
Selon un mode de réalisation particulièrement préféré, le solvant polaire aprotique est le NMP.According to a particularly preferred embodiment, the aprotic polar solvent is NMP.
De façon préférée, l’exfoliation chimique de l’étape b) est réalisée avec un ratio composé d’intercalation du graphite / solvant, préférentiellement solvent polaire aprotique, compris entre 1 et 50g/L.Preferably, the chemical exfoliation of step b) is carried out with a compound ratio of graphite intercalation / solvent, preferably aprotic polar solvent, of between 1 and 50g/L.
Lorsque l’étape b) comprend la combinaison d’une exfoliation chimique et mécanique, la modulation du ratio composé d’intercalation du graphite / solvant, préférentiellement solvent polaire aprotique, est importante pour maximiser le transfert d’énergie lié au régime turbulent engendré par l’exfoliation mécanique vers le composé d’intercalation du graphite.When step b) includes the combination of chemical and mechanical exfoliation, modulation of the ratio of graphite intercalation compound to solvent, preferably aprotic polar solvent, is important to maximize the energy transfer associated with the turbulent regime generated by mechanical exfoliation to the graphite intercalation compound.
Au départ, la concentration en composé d’intercalation du graphite est importante par rapport au volume de solvant, préférentiellement de polaire aprotique. Cette concentration initiale permet de réaliser une exfoliation améliorée en combinant l’effet lié au cisaillement mais également à la friction entre les composés d’intercalation du graphite et le moyen de broyage (mélangeur à pâle, un moulin à billes, un barreau aimanté, un attriteur ou détriteur en milieu agité ou un « Ultra-Turrax »).Initially, the concentration of graphite intercalating compound is high relative to the solvent volume, preferably aprotic polar. This initial concentration allows for improved exfoliation by combining the shear effect with the friction effect between the graphite intercalating compounds and the grinding medium (paddle mixer, ball mill, magnetic stir bar, agitated attrition or detritifier, or an "Ultra-Turrax").
La combinaison de l’effet lié aux cisaillement/friction/broyage peut être mesurée dans le mélange comprenant le composé d’intercalation du graphite et le solvant, préférentiellement solvant polaire aprotique, par la mesure de la vitesse puis par le calcul du nombre de Reynolds et du nombre de Froude.The combination of the shear/friction/grinding effect can be measured in the mixture comprising the graphite intercalation compound and the solvent, preferably aprotic polar solvent, by measuring the velocity and then by calculating the Reynolds number and Froude number.
L’étape b) d’exfoliation chimique, lorsqu’elle est combinée à une exfoliation mécanique, est réalisée dans un mélange comprenant le composé d’intercalation du graphite et un solvant dans un régime turbulent présentant un nombre de Reynolds supérieur à 1000 et un nombre de Froude inférieur à 1 et un taux de cisaillement inférieur à 400s-1.Step b) of chemical exfoliation, when combined with mechanical exfoliation, is carried out in a mixture comprising the graphite intercalation compound and a solvent in a turbulent regime having a Reynolds number greater than 1000 and a Froude number less than 1 and a shear rate less than 400s-1.
De façon inattendue, la combinaison de l’exfoliation chimique et mécanique du composé d’intercalation du graphite dans un régime turbulent présentant un nombre de Reynolds supérieur à 1000, un nombre de Froude inférieur à 1, et un taux de cisaillement inférieur à 400s-1 permet la dissolution améliorée du composé d’intercalation du graphite, notamment dans le solvant, préférentiellement un solvant polaire aprotique.Unexpectedly, the combination of chemical and mechanical exfoliation of the graphite intercalation compound in a turbulent regime exhibiting a Reynolds number greater than 1000, a Froude number less than 1, and a shear rate less than 400s-1 allows for improved dissolution of the graphite intercalation compound, particularly in the solvent, preferably a polar aprotic solvent.
Préférentiellement, le cisaillement est effectué pendant 24 à 200 heures.Preferably, shearing is carried out for 24 to 200 hours.
Ledit taux de cisaillement peut être mesuré par mesure de couple ou évalué par corrélation.The shear rate can be measured by torque measurement or evaluated by correlation.
L’exfoliation mécanique de l’étape b) peut être réalisée par tout moyen, notamment tout moyen permettant d’obtenir un nombre de Reynolds supérieur à 1000, un nombre de Froude inférieur à 1, et un taux de cisaillement inférieur à 400s-1.The mechanical exfoliation of step b) can be carried out by any means, in particular any means enabling a Reynolds number greater than 1000, a Froude number less than 1, and a shear rate less than 400s-1 to be obtained.
Le nombre de Reynolds, le nombre de Froude et le taux de cisaillement nécessaire à l’exfoliation mécanique peuvent être obtenus à l’aide d’un dispositif choisi parmi un mélangeur à pâle, un moulin à billes, un barreau aimanté, un attriteur ou détriteur en milieu agité ou un « Ultra-Turrax ».The Reynolds number, Froude number and shear rate required for mechanical exfoliation can be obtained using a device selected from a paddle mixer, ball mill, magnetic bar, agitated attrition or detritifier or an “Ultra-Turrax”.
Ainsi, le procédé de solubilisation de graphite selon l’invention permet d’obtenir des feuillets de graphène de grande taille latérale, préférentiellement supérieure à 300nm, notamment supérieure à 600nm, encore plus préférentiellement supérieure à 900nm.Thus, the graphite solubilization process according to the invention makes it possible to obtain graphene sheets with a large lateral size, preferably greater than 300nm, in particular greater than 600nm, and even more preferably greater than 900nm.
La mesure de la taille latérale des feuillets selon l’invention peut être effectuée par microscopie électronique à transmission, par microscopie à force atomique ou par mesure de la diffusion de la lumière.The measurement of the lateral size of the sheets according to the invention can be carried out by transmission electron microscopy, by atomic force microscopy or by measurement of light scattering.
De façon préférée, le procédé de solubilisation du graphite comprend une étape b’) d’élimination des agrégats, intervenant après l’étape b).Preferably, the graphite solubilization process includes a step b’) of aggregate removal, occurring after step b).
L’étape b’) d’élimination des agrégats permet avantageusement d’éliminer les éventuels agrégats comprenant les composés d’intercalations du graphite non exfoliés.Step b’) of aggregate removal advantageously allows the removal of any aggregates including non-exfoliated graphite intercalation compounds.
Préférentiellement, l’étape b’) comprend les étapes suivantes :
- Sédimentation et rejet des agrégats situés dans la partie inférieure de la solution de graphènure et/ou
- Centrifugation et rejet des agrégats situés dans la partie inférieure de la solution de graphènure.Preferably, step b') includes the following steps:
- Sedimentation and rejection of aggregates located in the lower part of the graphene solution and/or
- Centrifugation and rejection of aggregates located in the lower part of the graphene solution.
Avantageusement, l’étape b’) d’élimination des agrégats permet d’obtenir une solution de graphènure sans agrégat.Advantageously, step b’) of removing aggregates makes it possible to obtain an aggregate-free graphene solution.
La présence d’agrégats dans la solution de graphènure peut être vérifiée par différentes méthodes, notamment :
-Par microscopie optique ; Un échantillon de la solution de graphènure peut être prélevé à différents intervalles dans l’étape de centrifugation ou sédimentation pour déterminer lorsque celle-ci aura permis d’obtenir une solution exempte d’agrégats. L’examen au microscope optique permet de détecter des agrégats éventuels ayant une taille minimale de l’ordre du micron. Dans un mode de réalisation particulier, l’échantillon de la solution peut être analysé au microscope optique avec un grossissement de fois 50 à fois 100.
- Par corrélation entre microscopie et observation de l’effet Tyndal ; le passage d’un laser dans la solution de graphènure permet de s’assurer que celle-ci contient bien des particules en solution à une échelle suffisamment petite pour qu’elles ne soient pas visibles en microscopie.
- Par corrélation entre microscopie et spectroscopie Raman ; l’observation d’une longueur d’onde spécifique du carbone, préférentiellement à 1064nm, permet de s’assurer de la présence de carbone non visible en microscopie.
- Mesure de la conductivité ; Les feuillets de graphène étant chargés dans la solution de graphènure, il est possible de mesurer la conductivité de la solution de graphènure au travers de la contribution du graphène et des contre-ions à celle-ci.The presence of aggregates in the graphene solution can be verified by various methods, including:
-By optical microscopy; A sample of the graphene solution can be taken at different intervals during the centrifugation or sedimentation step to determine when a solution free of aggregates has been obtained. Examination under an optical microscope allows the detection of any aggregates with a minimum size on the order of a micron. In a particular embodiment, the sample of the solution can be analyzed under an optical microscope with a magnification of 50x to 100x.
- By correlation between microscopy and observation of the Tyndall effect; the passage of a laser through the graphene solution makes it possible to ensure that it contains particles in solution at a scale small enough that they are not visible under microscopy.
- By correlation between microscopy and Raman spectroscopy; the observation of a specific wavelength of carbon, preferably at 1064nm, makes it possible to ensure the presence of carbon not visible in microscopy.
- Measurement of conductivity; Since the graphene sheets are charged in the graphene solution, it is possible to measure the conductivity of the graphene solution through the contribution of the graphene and the counter-ions to it.
Selon un mode de réalisation, l’étape 1) de solubilisation du graphite réalisée sous atmosphère inerte comprend les étapes suivantes :
a) Intercalation d’au moins un métal alcalin dans du graphite conduisant à un composé d’intercalation du graphite ;
b) Exfoliation chimique et/ou exfoliation mécanique du composé d’intercalation du graphite, de façon à obtenir une solution de graphènure
b’) Elimination des agrégats de la solution de graphènure obtenue à l’étape b), préférentiellement par sédimentation et/ou centrifugation.According to one embodiment, step 1) of solubilizing graphite under an inert atmosphere comprises the following steps:
a) Intercalation of at least one alkali metal in graphite leading to a graphite intercalation compound;
b) Chemical exfoliation and/or mechanical exfoliation of the graphite intercalation compound, so as to obtain a graphenide solution
b') Removal of aggregates from the graphene solution obtained in step b), preferably by sedimentation and/or centrifugation.
Préférentiellement, l’étape 1) de solubilisation du graphite réalisée sous atmosphère inerte comprend les étapes suivantes :
a) Intercalation d’au moins un métal alcalin dans du graphite conduisant à un composé d’intercalation du graphite ;
b) Exfoliation chimique combinée à une exfoliation mécanique du composé d’intercalation du graphite, caractérisées en ce que le composé d’intercalation du graphite est mélangé à un solvant dans un régime turbulent présentant :
- un nombre de Reynolds supérieur à 1000 ;
- un nombre de Froude inférieur à 1 ; et
- un taux de cisaillement inférieur à 400s-1, de façon à obtenir une solution de graphènure ;
b’) Elimination des agrégats de la solution de graphènure obtenue à l’étape b), préférentiellement par sédimentation et/ou centrifugationPreferably, step 1) of graphite solubilization carried out under an inert atmosphere comprises the following steps:
a) Intercalation of at least one alkali metal in graphite leading to a graphite intercalation compound;
b) Chemical exfoliation combined with mechanical exfoliation of the graphite intercalation compound, characterized in that the graphite intercalation compound is mixed with a solvent in a turbulent regime exhibiting:
- a Reynolds number greater than 1000;
- a Froude number less than 1; and
- a shear rate of less than 400s-1, in order to obtain a graphene solution;
b') Removal of aggregates from the graphene solution obtained in step b), preferably by sedimentation and/or centrifugation
L’oxydation de la solution de graphènure de l’étape 2) peut être réalisée à l’aide d’un mélange gazeux comprenant de l’oxygène et au moins un gaz vecteur. Préférentiellement, le gaz vecteur est choisi parmi les gaz neutres en particulier l’azote ou l’argon.The oxidation of the graphene solution from step 2) can be carried out using a gas mixture comprising oxygen and at least one carrier gas. Preferably, the carrier gas is chosen from among the neutral gases, in particular nitrogen or argon.
De façon préférée, le mélange gazeux comprend un mélange d’oxygène et d’azote.Preferably, the gas mixture comprises a mixture of oxygen and nitrogen.
Avantageusement, la composition du gaz et l’humidité sont contrôlée pour oxyder la solution de graphènure.Advantageously, the gas composition and humidity are controlled to oxidize the graphene solution.
L’oxydation de la solution de graphènure permet de neutraliser les charges négatives des feuillets de graphène les rendant dispersibles dans des solvants aqueux.Oxidation of the graphene solution neutralizes the negative charges of the graphene sheets, making them dispersible in aqueous solvents.
Préférentiellement, l’oxydation de la solution de graphènure de l’étape 2) est réalisée à l’aide d’un mélange gazeux comprenant entre 70 et 85% d’azote et 30 à 15% d’oxygène.Preferably, the oxidation of the graphene solution in step 2) is carried out using a gas mixture comprising between 70 and 85% nitrogen and 30 to 15% oxygen.
Avantageusement, le mélange gazeux permet d’assurer une stabilité et une répétabilité du procédé sans dépendre de la qualité de l’air ambiant.Advantageously, the gas mixture ensures stability and repeatability of the process without depending on the quality of the ambient air.
Selon une variante, l’invention concerne un procédé d’obtention d’une dispersion liquide de graphène comprenant une étape d’oxydation à l’air synthétique.According to one variant, the invention relates to a process for obtaining a liquid dispersion of graphene comprising an oxidation step in synthetic air.
L’étape 3) de transfert de la dispersion organique de graphène est préférentiellement effectuée dans une matrice visqueuse présentant une viscosité absolue mesurée à 25°C à l’aide d’un rhéomètre comprise entre 5mPa.s et 10Pa.s, préférentiellement entre 100mPa.s et 10Pa.s.Step 3) of transferring the organic graphene dispersion is preferably carried out in a viscous matrix having an absolute viscosity measured at 25°C using a rheometer between 5mPa.s and 10Pa.s, preferably between 100mPa.s and 10Pa.s.
Avantageusement, la matrice visqueuse permet d’éviter le phénomène de réagrégation des feuillets de graphène.Advantageously, the viscous matrix prevents the phenomenon of reaggregation of the graphene sheets.
Selon un mode de réalisation, le polymère de l’étape a) est choisi parmi Polyfluorure de vinylidène (PVDF), polytétrafluoroéthylène (PTFE), caoutchouc d'éthylène-propylène-diène monomère (EPDM), ou carboxyméthylcellulose (CMC), caoutchouc nitrile-butadiène (NBR), caoutchouc styrène-butadiène (SBR), polyacrylate de lithium (LiPAA), polyacrylate de sodium (NaPAA), poly(acide acrylique) (PAA), polyimide, polyamide, alginate de sodium, alginate de lithium et leurs combinaisons.According to one embodiment, the polymer of step a) is chosen from Polyvinylidene Fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), ethylene propylene diene monomer rubber (EPDM), or carboxymethylcellulose (CMC), nitrile butadiene rubber (NBR), styrene butadiene rubber (SBR), lithium polyacrylate (LiPAA), sodium polyacrylate (NaPAA), poly(acrylic acid) (PAA), polyimide, polyamide, sodium alginate, lithium alginate and combinations thereof.
De façon préférée, le transfert de la dispersion organique de graphène dans un polymère ne comprend pas d’étape de dégazage.Preferably, the transfer of the organic graphene dispersion into a polymer does not include a degassing step.
Dans un mode de réalisation particulier de l’invention, le procédé d’obtention d’une dispersion liquide de graphène comprend une étape supplémentaire 4) d’évaporation et/ou de distillation du solvant polaire aprotique.In a particular embodiment of the invention, the process for obtaining a liquid dispersion of graphene includes an additional step 4) of evaporation and/or distillation of the aprotic polar solvent.
La dispersion liquide de graphène obtenu à l’étape 4) comprend une partie de solvant polaire aprotique. Pour éliminer la proportion restante de solvant polaire aprotique, l’étape 4) comprend au moins une évaporation et/ou une distillation.The liquid graphene dispersion obtained in step 4) includes a portion of aprotic polar solvent. To remove the remaining proportion of aprotic polar solvent, step 4) includes at least one evaporation and/or distillation.
Préférentiellement l’étape 4) comprend au moins :
-une évaporation pendant une durée comprise entre 6 et 10 jours, préférentiellement 7 jours ; et/ou
- une distillation à une vitesse d’évaporation comprise entre 100mL/h à 2L/h, préférentiellement 500mL/h.Preferably, step 4) should include at least:
- evaporation over a period of between 6 and 10 days, preferably 7 days; and/or
- a distillation at an evaporation rate of between 100mL/h and 2L/h, preferably 500mL/h.
Avantageusement, l’étape 4) permet d’obtenir une dispersion liquide de graphène sans solvant polaire aprotique.Advantageously, step 4) allows obtaining a liquid dispersion of graphene without aprotic polar solvent.
Selon un mode de réalisation, le procédé d’obtention d’une dispersion liquide de graphène comprend les étapes suivantes :
1) Solubilisation de graphite réalisée sous atmosphère inerte de façon à obtenir une solution de graphènure par la mise en œuvre des étapes suivantes :
a) Intercalation d’au moins un métal alcalin dans du graphite réalisée sous atmosphère inerte conduisant à un composé d’intercalation du graphite ;
b) Exfoliation chimique ou exfoliation mécanique réalisée sous atmosphère inerte du composé d’intercalation du graphite, de façon à obtenir une solution de graphènure :
b’) Elimination des agrégats de la solution de graphènure obtenue à l’étape b) de la solution de graphènure obtenue à l’étape b), préférentiellement par sédimentation et/ou centrifugation. Plus particulièrement, l’étape b’) peut comprendre les étapes suivantes :
- Sédimentation et rejet des agrégats situés dans la partie inférieure de la solution de graphènure et/ou
- Centrifugation et rejet des agrégats situés dans la partie inférieure de la solution de graphènure.
2) Oxydation de la solution de graphènure sans agrégat obtenue à l’étape b’) pour obtenir une dispersion organique de graphène ;
3) Transfert de la dispersion organique de graphène dans un polymère formant une dispersion liquide de graphène ; et
4) Evaporation et/ou distillation du solvant polaire aprotique.According to one embodiment, the process for obtaining a liquid dispersion of graphene comprises the following steps:
1) Solubilization of graphite carried out under an inert atmosphere to obtain a graphene solution by implementing the following steps:
a) Intercalation of at least one alkali metal into graphite carried out under an inert atmosphere leading to a graphite intercalation compound;
b) Chemical exfoliation or mechanical exfoliation carried out under an inert atmosphere of the graphite intercalation compound, so as to obtain a graphenide solution:
b') Removal of aggregates from the graphene solution obtained in step b), preferably by sedimentation and/or centrifugation. More specifically, step b') may include the following steps:
- Sedimentation and rejection of aggregates located in the lower part of the graphene solution and/or
- Centrifugation and rejection of aggregates located in the lower part of the graphene solution.
2) Oxidation of the aggregate-free graphene solution obtained in step b') to obtain an organic dispersion of graphene;
3) Transfer of the organic graphene dispersion into a polymer forming a liquid graphene dispersion; and
4) Evaporation and/or distillation of the aprotic polar solvent.
Selon un mode de réalisation, la dispersion liquide de graphène obtenue à l’issue de l’étape 3) et/ou 4) présente une viscosité absolue mesurée à 25°C à l’aide d’un rhéomètre comprise entre 5mPa.s et 10Pa.s, préférentiellement entre 100mPa.s et 10Pa.s.According to one embodiment, the liquid graphene dispersion obtained at the end of step 3) and/or 4) has an absolute viscosity measured at 25°C using a rheometer of between 5mPa.s and 10Pa.s, preferably between 100mPa.s and 10Pa.s.
Selon un mode de réalisation préféré, le procédé d’obtention d’une dispersion liquide de graphène comprend les étapes suivantes :
1) Solubilisation de graphite réalisée sous atmosphère inerte de façon à obtenir une solution de graphènure par la mise en œuvre des étapes suivantes :
a) Intercalation d’au moins un métal alcalin par du graphite réalisée sous atmosphère inerte conduisant à un composé d’intercalation du graphite ;
b) Exfoliation chimique combinée à une exfoliation mécanique réalisée sous atmosphère inerte du composé d’intercalation du graphite caractérisée en ce que le composé d’intercalation du graphite est mélangé à un solvant dans un régime turbulent présentant :
- un nombre de Reynolds supérieur à 1000 ;
- un nombre de Froude inférieur à 1 ; et
- un taux de cisaillement inférieur à 400s-1, de façon à obtenir une solution de graphènure ;
b’) Elimination des agrégats de la solution de graphènure obtenue à l’étape b), préférentiellement par sédimentation et/ou centrifugation. Plus particulièrement, l’étape b’) peut comprendre les étapes suivantes :
- Sédimentation et rejet des agrégats situés dans la partie inférieure de la solution de graphènure et/ou
- Centrifugation et rejet des agrégats situés dans la partie inférieure de la solution de graphènure.
2) Oxydation de la solution de graphènure sans agrégat obtenue à l’étape b’) pour obtenir une dispersion organique de graphène ;
3) Transfert de la dispersion organique de graphène dans un polymère formant une dispersion liquide de graphène ; et
4) Evaporation et/ou distillation du solvant polaire aprotiqueAccording to a preferred embodiment, the process for obtaining a liquid dispersion of graphene comprises the following steps:
1) Solubilization of graphite carried out under an inert atmosphere to obtain a graphene solution by implementing the following steps:
a) Intercalation of at least one alkali metal by graphite carried out under an inert atmosphere leading to a graphite intercalation compound;
b) Chemical exfoliation combined with mechanical exfoliation carried out under an inert atmosphere of the graphite intercalation compound, characterized in that the graphite intercalation compound is mixed with a solvent in a turbulent regime exhibiting:
- a Reynolds number greater than 1000;
- a Froude number less than 1; and
- a shear rate of less than 400s-1, in order to obtain a graphene solution;
b') Removal of aggregates from the graphene solution obtained in step b), preferably by sedimentation and/or centrifugation. More specifically, step b') may include the following steps:
- Sedimentation and rejection of aggregates located in the lower part of the graphene solution and/or
- Centrifugation and rejection of aggregates located in the lower part of the graphene solution.
2) Oxidation of the aggregate-free graphene solution obtained in step b') to obtain an organic dispersion of graphene;
3) Transfer of the organic graphene dispersion into a polymer forming a liquid graphene dispersion; and
4) Evaporation and/or distillation of the aprotic polar solvent
Selon une variante, lorsque le procédé d’obtention d’une dispersion liquide de graphène comprend l’étape 4), ledit procédé peut comprendre une étape optionnelle 5) de recyclage du solvant polaire aprotique.According to one variant, when the process for obtaining a liquid dispersion of graphene includes step 4), said process may include an optional step 5) of recycling the aprotic polar solvent.
L’étape 5) de recyclage du solvant polaire aprotique peut comprendre les étapes suivantes :
- Récupération des vapeurs du solvant évaporé ou distillé lors de l’étape 4) ;
- Purification par séparation membranaire ou distillation extractive ;
- éventuellement réutilisation dans le procédé par injection du solvant polaire aprotique recyclé à l’étape b).Step 5) of recycling the aprotic polar solvent may include the following steps:
- Recovery of vapors from the solvent evaporated or distilled during step 4);
- Purification by membrane separation or extractive distillation;
- possibly reuse in the process by injection of the recycled aprotic polar solvent in step b).
Avantageusement, l’étape 5) permet de diminuer les pertes de solvant et de diminuer les coûts de production de la dispersion liquide de graphène.Advantageously, step 5) reduces solvent losses and lowers production costs of the liquid graphene dispersion.
Selon une autre variante de l’invention, le procédé d’obtention d’une dispersion liquide de graphène comprend les étapes suivantes :
1) Solubilisation de graphite réalisée sous atmosphère inerte de façon à obtenir une solution de graphènure par la mise en œuvre des étapes suivantes :
a) Intercalation d’au moins un métal alcalin par du graphite réalisée sous atmosphère inerte conduisant à un composé d’intercalation du graphite ;
b) Exfoliation chimique combinée à une exfoliation mécanique réalisée sous atmosphère inerte du composé d’intercalation du graphite dans une matrice visqueuse caractérisée en ce que le composé d’intercalation du graphite est mélangé à un solvant dans un régime turbulent présentant :
- un nombre de Reynolds supérieur à 1000 ;
- un nombre de Froude inférieur à 1 ; et
- un taux de cisaillement inférieur à 400s-1, de façon à obtenir une solution de graphènure ;
b’) Elimination des agrégats de la solution de graphènure obtenue à l’étape b), préférentiellement par sédimentation et/ou centrifugation. Plus particulièrement, l’étape b’) peut comprendre les étapes suivantes :
- Sédimentation et rejet des agrégats situés dans la partie inférieure de la solution de graphènure et/ou
- Centrifugation et rejet des agrégats situés dans la partie inférieure de la solution de graphènure.
2) Oxydation de la solution de graphènure sans agrégat obtenue à l’étape b’) pour obtenir une dispersion organique de graphène.According to another embodiment of the invention, the process for obtaining a liquid dispersion of graphene comprises the following steps:
1) Solubilization of graphite carried out under an inert atmosphere to obtain a graphene solution by implementing the following steps:
a) Intercalation of at least one alkali metal by graphite carried out under an inert atmosphere leading to a graphite intercalation compound;
b) Chemical exfoliation combined with mechanical exfoliation carried out under an inert atmosphere of the graphite intercalation compound in a viscous matrix characterized in that the graphite intercalation compound is mixed with a solvent in a turbulent regime exhibiting:
- a Reynolds number greater than 1000;
- a Froude number less than 1; and
- a shear rate of less than 400s-1, in order to obtain a graphene solution;
b') Removal of aggregates from the graphene solution obtained in step b), preferably by sedimentation and/or centrifugation. More specifically, step b') may include the following steps:
- Sedimentation and rejection of aggregates located in the lower part of the graphene solution and/or
- Centrifugation and rejection of aggregates located in the lower part of the graphene solution.
2) Oxidation of the aggregate-free graphene solution obtained in step b') to obtain an organic dispersion of graphene.
Ainsi, selon une variante, l’étape b) d’exfoliation chimique et/ou mécanique est réalisée sur un composé d’intercalation du graphite dans une matrice visqueuse. L’étape 3) du procédé est alors réalisée dans l’étape b) de façon simultanée.Thus, according to one variant, step b) of chemical and/or mechanical exfoliation is carried out on a compound intercalating graphite in a viscous matrix. Step 3) of the process is then carried out simultaneously with step b).
UtilisationUse ss
Selon un autre aspect, l’invention concerne l’utilisation de la dispersion de graphène selon l’une des quelconques modes de réalisation préalablement décrit en tant qu’additif, préférentiellement en tant qu’additif conducteur d’électrode.According to another aspect, the invention relates to the use of graphene dispersion according to any of the previously described embodiments as an additive, preferably as an electrode conductive additive.
Avantageusement, la dispersion selon l’invention est particulièrement adaptée à une telle utilisation. En effet, sa forte concentration en graphène de haute qualité, sa stabilité, son absence d’agrégat et son homogénéité en fait un additif conducteur d’électrode particulièrement adapté.Advantageously, the dispersion according to the invention is particularly well-suited to such an application. Indeed, its high concentration of high-quality graphene, its stability, its lack of aggregation, and its homogeneity make it a particularly suitable conductive electrode additive.
De façon préférée, la dispersion de graphène selon l’invention peut être utilisée en tant qu’additif conducteur d’électrode pour améliorer au moins une propriété d’un dispositif de stockage de l’énergie choisie parmi la capacité de stockage, la capacité de cyclage, l’irréversibilité de la SEI (solid electrolyte interphase), la puissance accessible, la capacité spécifique, la tenue en température, la fiabilité ou leurs combinaisons.Preferably, the graphene dispersion according to the invention can be used as a conductive electrode additive to improve at least one property of an energy storage device selected from storage capacity, cycling capacity, SEI (solid electrolyte interphase) irreversibility, accessible power, specific capacity, temperature resistance, reliability or combinations thereof.
Préférentiellement, ledit dispositif de stockage d’énergie est choisi parmi un supercondensateur, une pile à combustible ou une batterie.Preferably, the energy storage device is chosen from a supercapacitor, a fuel cell or a battery.
Lorsque ledit dispositif de stockage de l’énergie est une batterie, la batterie peut être choisie parmi une batterie lithium ion, une batterie lithium polymères, une batterie lithium air ou une batterie sodium ion.When the said energy storage device is a battery, the battery can be chosen from a lithium ion battery, a lithium polymer battery, a lithium air battery or a sodium ion battery.
Avantageusement, la dispersion selon l’invention est particulièrement adaptée à son utilisation en tant qu’additif conducteur d’électrode pour des batteries, notamment des batteries lithium ion, des batteries lithium polymères, des batteries lithium air ou des batteries sodium ion.Advantageously, the dispersion according to the invention is particularly suited for use as an electrode conductive additive for batteries, in particular lithium ion batteries, lithium polymer batteries, lithium air batteries or sodium ion batteries.
Avantageusement, le solvant et le polymère de la dispersion selon l’invention sont adapté à une utilisant en tant qu’additif conducteur d’électrode. A titre d’exemple, le polymère, tel que le NMP, permet d’assurer la tenue mécanique, notamment via l’augmentation de la viscosité, au cyclage (charge /décharge) lors de son utilisation en tant qu’additif conducteur d’électrode.Advantageously, the solvent and polymer of the dispersion according to the invention are suitable for use as a conductive electrode additive. For example, the polymer, such as NMP, ensures mechanical resistance, particularly through increased viscosity, to cycling (charging/discharging) when used as a conductive electrode additive.
Selon un mode de réalisation, la dispersion selon l’invention peut être utilisée en tant qu’additif conducteur d’électrode pour un dispositif de stockage de l’énergie, notamment une batterie, préférentiellement une batterie lithium ion.According to one embodiment, the dispersion according to the invention can be used as a conductive electrode additive for an energy storage device, in particular a battery, preferably a lithium ion battery.
Selon un mode de réalisation particulier, l’invention concerne l’utilisation en tant qu’additif conducteur d’électrode d’une dispersion selon l’invention comprenant :
* un solvant choisi parmi le dimethylformamide (DMF), dimethyl sulfoxide (DMSO), propylène carbonate (PC), acé-tonitrile, tétrahydrofurane (THF) le N-méthyl-2-pyrrolidone (NMP), le 2-Méthyltétrahydrofurane (Me-THF), le cyclopentylmethylether et leurs combinaisons ;
*un polymère choisi parmi le Polyfluorure de vinylidène (PVDF), polytétrafluoroéthylène (PTFE), caoutchouc d'éthy-lène-propylène-diène monomère (EPDM), ou carboxyméthylcellulose (CMC), caoutchouc nitrile-butadiène (NBR), caoutchouc styrène-butadiène (SBR), polyacrylate de lithium (Li-PAA), polyacrylate de sodium (NaPAA), poly(acide acrylique) (PAA), polyimide, polyamide, alginate de sodium, alginate de lithium et leurs combinaisons.According to a particular embodiment, the invention relates to the use, as a conductive electrode additive, of a dispersion according to the invention comprising:
* a solvent selected from dimethylformamide (DMF), dimethyl sulfoxide (DMSO), propylene carbonate (PC), acetonitrile, tetrahydrofuran (THF), N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), 2-methyltetrahydrofuran (Me-THF), cyclopentylmethyl ether and their combinations;
*a polymer selected from Polyvinylidene Fluoride (PVDF), Polytetrafluoroethylene (PTFE), Ethylene Propylene Diene Monomer Rubber (EPDM), or Carboxymethylcellulose (CMC), Nitrile Butadiene Rubber (NBR), Styrene Butadiene Rubber (SBR), Lithium Polyacrylate (Li-PAA), Sodium Polyacrylate (NaPAA), Poly(acrylic acid) (PAA), Polyimide, Polyamide, Sodium Alginate, Lithium Alginate and combinations thereof.
Selon un mode de réalisation particulier, l’invention concerne l’utilisation en tant qu’additif conducteur d’électrode d’une dispersion selon l’invention comprenant le N-méthyl-2-pyrrolidone (NMP), et le Polyfluorure de vinylidène (PVDF).According to a particular embodiment, the invention relates to the use as a conductive electrode additive of a dispersion according to the invention comprising N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), and polyvinylidene fluoride (PVDF).
Selon un mode de réalisation particulier, l’invention concerne l’utilisation en tant qu’additif conducteur d’électrode d’une dispersion selon l’invention comprenant
- entre 2 et 10%, préférentiellement entre 3 et 6%, notamment entre 3 et 5% de Polyfluorure de vinylidène (PVDF) en poids par rapport au poids total de la dispersion ;
- entre 80 et 97%, préférentiellement entre 90 et 95%, notamment entre 91 et 94% de N-méthyl-2-pyrrolidone (NMP) en poids par rapport au poids total de la dispersion.; et
- entre 1 et 10%, préférentiellement entre 2 et 8%, notamment entre 3 et 5% de graphène en poids par rapport au poids total de la dispersion
en tant qu’additif conducteur d’électrode.According to a particular embodiment, the invention relates to the use, as a conductive electrode additive, of a dispersion according to the invention comprising
- between 2 and 10%, preferably between 3 and 6%, in particular between 3 and 5% of Polyvinylidene Fluoride (PVDF) by weight relative to the total weight of the dispersion;
- between 80 and 97%, preferably between 90 and 95%, in particular between 91 and 94% of N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) by weight relative to the total weight of the dispersion; and
- between 1 and 10%, preferably between 2 and 8%, in particular between 3 and 5% graphene by weight relative to the total weight of the dispersion
as a conductive electrode additive.
Electrode et batterieElectrode and battery
L’invention concerne également une électrode pour un dispositif de stockage d’énergie comprenant la dispersion selon l’invention.The invention also relates to an electrode for an energy storage device comprising the dispersion according to the invention.
Avantageusement, l’électrode selon l’invention bénéficie de propriétés améliorées grâce à la présence de la dispersion selon l’invention. En effet, la dispersion selon l’invention permet notamment d’améliorer au moins une propriété de l’électrode choisie parmi la conductivité électrique, la stabilité cyclique, l’homogénéité de répartition du courant, la puissance accessibles, la capacité spécifique, la tenue en température et leurs combinaisons.Advantageously, the electrode according to the invention benefits from improved properties thanks to the presence of the dispersion according to the invention. Indeed, the dispersion according to the invention makes it possible, in particular, to improve at least one property of the electrode chosen from among electrical conductivity, cyclic stability, homogeneity of current distribution, accessible power, specific capacitance, temperature resistance, and combinations thereof.
Selon un mode de réalisation, l’électrode comprend entre 1 à 10% en masse de dispersion selon l’invention par rapport à la masse totale de l’électrode.According to one embodiment, the electrode comprises between 1 and 10% by mass of dispersion according to the invention relative to the total mass of the electrode.
Selon un mode de réalisation particulier, l’électrode comprend 1%, 2%, 3%, 4%, 5%, 6%, 7%, 8%, 9%, 10% en masse de dispersion selon l’invention par rapport à la masse totale de l’électrode.According to a particular embodiment, the electrode comprises 1%, 2%, 3%, 4%, 5%, 6%, 7%, 8%, 9%, 10% by mass of dispersion according to the invention relative to the total mass of the electrode.
Selon un mode de réalisation, l’électrode selon l’invention comprend :
* entre 1 et 10% en masse de dispersion selon l’invention par rapport à la masse totale de l’électrode ;
*entre 1 et 10% en masse de polymère, préférentiellement de PVDF, par rapport à la masse totale de l’électrode; et
*entre 80 et 98% en masse de matériau actif, préférentiellement du graphite ou tout matériau apte à former une électrode pour un dispositif de stockage de l’énergie par rapport à la masse totale de l’électrode.According to one embodiment, the electrode according to the invention comprises:
* between 1 and 10% by mass of dispersion according to the invention relative to the total mass of the electrode;
*between 1 and 10% by mass of polymer, preferably PVDF, relative to the total mass of the electrode; and
*between 80 and 98% by mass of active material, preferably graphite or any material suitable for forming an electrode for an energy storage device, relative to the total mass of the electrode.
Selon un mode de réalisation préféré, l’électrode comprend entre 1 et 10% en masse de de PVDF par rapport à la masse totale de l’électrode, notamment entre 1 et 5% en masse de de PVDF par rapport à la masse totale de l’électrode.According to a preferred embodiment, the electrode comprises between 1 and 10% by mass of PVDF relative to the total mass of the electrode, in particular between 1 and 5% by mass of PVDF relative to the total mass of the electrode.
Avantageusement, la présence de PVDF au sein de l’électrode permet d’assurer la tenue mécanique des feuillets de graphène sur l’électrode. Toutefois, une concentration trop importante de PVDF, notamment supérieure à 10%, est contreproductif pour les performances de l’électrode.Advantageously, the presence of PVDF within the electrode ensures the mechanical stability of the graphene sheets on the electrode. However, an excessive concentration of PVDF, particularly above 10%, is counterproductive to the electrode's performance.
L’électrode selon l’invention est adaptée pour un dispositif de stockage d’énergie choisi parmi un supercondensateur, une batterie ou une pile à combustible.The electrode according to the invention is adapted for an energy storage device chosen from a supercapacitor, a battery or a fuel cell.
Selon un mode de réalisation, l’invention concerne une électrode pour une batterie, préférentiellement une batterie lithium ion comprenant la dispersion selon l’invention.According to one embodiment, the invention relates to an electrode for a battery, preferably a lithium ion battery comprising the dispersion according to the invention.
Selon un mode de réalisation particulier, l’électrode selon l’invention peut être obtenue par la mise en œuvre des étapes suivantes :
*Broyage d’un matériau actif afin d’obtenir une poudre
*Mélange de la poudre avec la dispersion de graphène selon l’invention
*Optionnellement, ajout de solvant et/ou de polymère pour adapter la viscosité au mode de dépôt de l’électrode
*Coulage de du mélange obtenu ; et
*séchage en étuve pour obtenir l’électrode selon l’invention.According to a particular embodiment, the electrode according to the invention can be obtained by carrying out the following steps:
*Grinding of an active material to obtain a powder
*Mixing of the powder with the graphene dispersion according to the invention
*Optionally, solvent and/or polymer can be added to adapt the viscosity to the electrode deposition method.
*Pouring of the resulting mixture; and
*oven drying to obtain the electrode according to the invention.
Enfin, l’invention concerne également un dispositif de stockage de l’énergie comprenant une électrode selon l’invention.Finally, the invention also relates to an energy storage device comprising an electrode according to the invention.
Selon un mode de réalisation, le dispositif de stockage de l’énergie est choisi parmi une batterie, une pile à combustible ou un supercondensateur.According to one embodiment, the energy storage device is chosen from a battery, a fuel cell or a supercapacitor.
De façon préféré, le dispositif de stockage selon l’invention est une batterie selon l’invention est une batterie.Preferably, the storage device according to the invention is a battery.
Lorsque le dispositif de stockage de l’énergie est une batterie, ladite batterie est choisie parmi une batterie lithium ion, une batterie lithium polymères, une batterie lithium air ou une batterie sodium ion.When the energy storage device is a battery, said battery is chosen from a lithium ion battery, a lithium polymer battery, a lithium air battery or a sodium ion battery.
Avantageusement, le dispositif de stockage de l’énergie selon l’invention présente des propriétés améliorées, notamment une amélioration de la conductivité électrique, une augmentation de la densité d’énergie, une optimisation de la performance à haute vitesse de charge/décharge.Advantageously, the energy storage device according to the invention has improved properties, including improved electrical conductivity, increased energy density, and optimized high-speed charge/discharge performance.
Exemple 1 :Example 1: Mesure de la stabilité d’une dispersion selon l’inventionMeasurement of the stability of a dispersion according to the invention
Pour la réalisation de cet exemple, une dispersion de graphène selon l’invention comprenant du NMP et du PVDF a été utilisée.For the realization of this example, a graphene dispersion according to the invention comprising NMP and PVDF was used.
Différentes quantités de graphène ont été ajoutées à une dispersion liquide selon l’invention comprenant 5% de PVDF en poids par rapport au poids total de la dispersion dans du NMP afin d'évaluer la stabilité et la qualité de la dispersion de graphène dans le temps.Different amounts of graphene were added to a liquid dispersion according to the invention comprising 5% PVDF by weight relative to the total weight of the dispersion in NMP in order to evaluate the stability and quality of the graphene dispersion over time.
Tout d'abord, l'absorbance des dispersions a été mesurée par dilution de la dispersion de graphène dans la NMP jusqu'à ce que l'absorbance soit inférieure à un. Le profil d'absorbance montre que le solvant NMP absorbe dans la gamme UV de 200 à 300 nm. Cela masque le pic d'absorbance du graphène à 269nm. Le solvant étant transparent dans le domaine visible (300-800nm), le signal provenant du graphène peut être suivi dans le temps (
L'évolution de l'absorbance (
Ainsi, même avec une concentration aussi élevée que 5 %, la dispersion de graphène est stable sur une période de 45 jours, seule une fraction du matériau en dispersion se déposant au cours de cette période.Thus, even with a concentration as high as 5%, the graphene dispersion is stable over a period of 45 days, with only a fraction of the dispersed material settling during this period.
La spectroscopie Raman est effectuée sur des gouttes de graphène séchées et déposées sur un substrat provenant de la dispersion dans le PVDF-NMP. La
L'ajustement des pics donne une largeur totale à mi-maximum (FWHM) de 34,1 cm-1 pour le pic D, 45,0 cm-1 pour le pic 2D et un rapport d'intensité de 0,8 pour le rapport D/G et de 0,6 pour le rapport 2D/G. Ces valeurs reflètent la haute qualité du spectre de graphène. Ces valeurs reflètent la haute qualité du graphène dispersé dans la formulation.Peak fitting yields a full width at half maximum (FWHM) of 34.1 cm⁻¹ for peak D, 45.0 cm⁻¹ for peak 2D, and intensity ratios of 0.8 for peak D/G and 0.6 for peak 2D/G. These values reflect the high quality of the graphene spectrum.
Exemple 2 :Example 2:
Les électrodes utilisées dans cet exemple été fabriquées en laboratoire, ce qui signifie qu'elles ne possèdent pas les mêmes caractéristiques de qualité que des électrodes produites à l'échelle industrielle.The electrodes used in this example were manufactured in a laboratory, which means they do not have the same quality characteristics as industrially produced electrodes.
Les performances des deux types électrodes ont été évaluées en ajoutant deux additifs, à savoir soit la dispersion liquide de graphène selon l’invention, soit du Super P C65, matériau carboné de référence.The performance of the two types of electrodes was evaluated by adding two additives, namely either the liquid dispersion of graphene according to the invention, or Super P C65, a reference carbon material.
Toutes les électrodes ont été faites sur 1 g, afin d’avoir des solutions et des encres homogènes.All electrodes were made on 1 g, in order to have homogeneous solutions and inks.
Protocole d’élaboration des électrodesElectrode fabrication protocol
Les électrodes de cet exemples ont été réalisée de la manière suivante :
*Peser le graphite puis le broyer au mortier
*Prélever la quantité nécessaire de solution de graphène pour avoir les proportions désirées, et redisperser à l’ultra-turrax quelques minutes ;
*Ajout de NMP, si nécessaire, pour avoir la bonne viscosité puis mélange à l’ultra-turrax jusqu’à obtenir une encre homogène ;
*Coulage de l’encre, puis évaporation de la NMP dans une étuve 80°C ;
*Découpage des électrodes, et séchage sous vide pendant 1 nuit.The electrodes in this example were made in the following way:
Weigh the graphite and then grind it in a mortar.
*Take the necessary amount of graphene solution to obtain the desired proportions, and redisperse with ultra-turrax for a few minutes;
*Add NMP, if necessary, to get the right viscosity then mix with ultra-turrax until a homogeneous ink is obtained;
*Filling of the ink, then evaporation of the NMP in an 80°C oven;
*Cutting of the electrodes, and vacuum drying for 1 night.
Les chargements en matière active (graphite) sont compris entre 3 et 3,5 mg/cm2.The active material (graphite) loadings are between 3 and 3.5 mg/cm2.
La porosité initiale des électrodes est de 75%, elle a été réduite à 45% par calandrage.The initial porosity of the electrodes is 75%, it was reduced to 45% by calendering.
A – Etude électrochimique :A – Electrochemical study:
Pour réaliser les analyses électrochimiques, la méthode utilisée est le cyclage des batteries en mode galvanostatique. Le cyclage galvanostatique consiste à faire passer un courant constant à travers une cellule électrochimique pendant des cycles de charge et de décharge.To perform electrochemical analyses, the method used is galvanostatic battery cycling. Galvanostatic cycling consists of passing a constant current through an electrochemical cell during charge and discharge cycles.
Les différents objectifs sont de mesurer la tenue en puissance des batteries et d’évaluer la durée de vie des cellules.The different objectives are to measure the power handling of the batteries and to evaluate the lifespan of the cells.
Le protocole utilisé est le suivant :
*On applique un courant constant négatif pour décharger la cellule jusqu’au potentiel de 20 mV ;
*On applique un potentiel constant de 20 mV pendant 30 minutes, pour déterminer la décharge de la cellule, tout en évitant le dépôt de lithium métal.
*On applique un courant positif constant pour charger la cellule jusqu’au potentiel de 1,2 V.
On répète ces étapes de cyclage à différents régimes de cyclage.The protocol used is as follows:
*A constant negative current is applied to discharge the cell down to a potential of 20 mV;
*A constant potential of 20 mV is applied for 30 minutes to determine the discharge of the cell, while avoiding the deposition of lithium metal.
*A constant positive current is applied to charge the cell up to a potential of 1.2 V.
These cycling steps are repeated at different cycling regimes.
Le courant choisi est calculé en fonction de la masse de l'électrode, du régime de cyclage choisi et de la capacité maximale du matériau soit 0,08mA dans le cadre de ces électrodes.The chosen current is calculated based on the mass of the electrode, the chosen cycling regime and the maximum capacitance of the material, which is 0.08mA in the case of these electrodes.
La première courbe de charge est décrite à la
On remarque plusieurs phénomènes qui se produisent lors de la première réduction du graphite.Several phenomena are observed that occur during the first reduction of graphite.
Les plateaux formés à différents potentiels sont associés aux différentes étapes d’insertion du lithium. Au potentiel de 0.8 V, on observe un premier palier, qui correspond à la formation de la SEI.The plateaus formed at different potentials are associated with the different stages of lithium insertion. At a potential of 0.8 V, a first plateau is observed, which corresponds to the formation of the SEI.
En effet, lors du processus de réduction, l'électrolyte se réduit et forme une couche de passivation à la surface de l'électrode de graphite. Cette SEI forme une couche protectrice qui permet d'empêcher la corrosion de l'électrode et la dégradation de l'électrolyte. Cette couche se forme uniquement lors des premiers cycles (essentiellement lors de la première décharge) et elle est importante pour le bon fonctionnement de la batterie.Indeed, during the reduction process, the electrolyte shrinks and forms a passivation layer on the surface of the graphite electrode. This SEI (Selective Electrolyte Implant) forms a protective layer that prevents electrode corrosion and electrolyte degradation. This layer forms only during the first few cycles (primarily during the first discharge) and is crucial for proper battery function.
B : Comparaison de la formation de la SEI entre les différentes électrodesB: Comparison of SEI formation between different electrodes
Pour une électrode de graphite + SuperP C65, environ 20% de la capacité de la première décharge est consommée pour la formation de la SEI.For a graphite + SuperP C65 electrode, approximately 20% of the capacity of the first discharge is consumed for the formation of the SEI.
Pour une électrode de graphite + dispersion, ce pourcentage est réduit à environ 14%.For a graphite + dispersion electrode, this percentage is reduced to approximately 14%.
Cela signifie que, dans une batterie utilisant du graphène, moins d'électrons sont utilisés pour former la SEI.This means that, in a battery using graphene, fewer electrons are used to form the SEI.
Paramètre de cyclageCycling parameter
Le protocole de cyclage de chaque batterie a été le suivant pour évaluer la tenue en puissance des différentes électrodes testées.The cycling protocol for each battery was as follows to evaluate the power handling of the different electrodes tested.
Différentes valeurs de courant ont été imposées correspondant au régime de cyclage, un régime en C/20 indique que la décharge ou la charge se font en 20 H.Different current values were imposed corresponding to the cycling regime; a C/20 regime indicates that the discharge or charge takes place in 20 hours.
*2 cycles à C/20 ;
*4 cycles à C/10 ;
*4 cycles à C/5 ;
*4 cycles à C/2 ;
*4 cycles à C ;
*4 cycles à 2C ;
*4 cycles à C/10*2 cycles at C/20;
*4 cycles at C/10;
*4 cycles at C/5;
*4 cycles at C/2;
*4 cycles at C;
*4 cycles at 2C;
*4 cycles at C/10
Potentiels d’arrêt : 20 mV vs Li+/Li en décharge et 1,2 V en chargeStopping potentials: 20 mV vs Li+/Li during discharge and 1.2 V during charge
En décharge, à la fin du mode galvanostatique, le potentiel de 20 mV est maintenu pendant 30 minutes (mode potentiostatique), ce protocole est souvent noté CCCV (constant current constant voltage)During discharge, at the end of the galvanostatic mode, the 20 mV potential is maintained for 30 minutes (potentiostatic mode); this protocol is often noted as CCCV (constant current constant voltage).
Pour la réalisation de cet exemple la SEI (Solid Electrolyte Interphase) a été évaluée en comparant la première charge à C/20 à la première décharge à C/20. Lors de la première décharge, le graphite se lithie et la SEI se forme par réduction de l'électrolyte à bas potentiel. En revanche, pendant la première charge, seul le lithium intercalé dans la structure du graphite est extrait. La différence de capacité entre ces deux étapes correspond donc à celle associée à la formation de la SEI. Bien que la SEI continue à se former légèrement lors des cycles suivants, cette méthode reste pertinente pour une comparaison.For this example, the Solid Electrolyte Interphase (SEI) was evaluated by comparing the first charge at C/20 to the first discharge at C/20. During the first discharge, the graphite lithiashes, and the SEI forms through the reduction of the electrolyte at low potential. In contrast, during the first charge, only the lithium intercalated within the graphite structure is extracted. The difference in capacitance between these two stages therefore corresponds to that associated with SEI formation. Although SEI continues to form slightly during subsequent cycles, this method remains relevant for comparison.
Les 4 derniers cycles à C/10 sont utiles pour savoir si la batterie ne s’est pas dégradée lors des charges/décharges rapides en comparant simplement la valeur de capacité à C/10 avant et après le test en puissance. Pour chaque électrode testée, deux batteries ont été testées.The last four cycles at C/10 are useful for determining if the battery has degraded during rapid charge/discharge cycles by simply comparing the capacity value at C/10 before and after the power test. Two batteries were tested for each electrode tested.
Seule la partie décharge du cyclage galvanostatique sera étudiée. En effet, celle-ci donne des informations sur les réactions électrochimiques spécifiques qui se produisent ainsi que sur la capacité maximale obtenue en fonction du régime.Only the discharge phase of the galvanostatic cycling will be studied. Indeed, this provides information on the specific electrochemical reactions that occur, as well as on the maximum capacity obtained as a function of the operating regime.
Les différentes courbes de décharge pour l’électrode comprenant le super P C65 sont présentées à la
C. Evaluation de la tenue en puissanceC. Evaluation of power handling
La puissance est définie par la rapidité avec laquelle une batterie peut libérer de l'énergie. Pour quantifier cette performance, un protocole de cyclage est appliqué ce qui augmente la fréquence de charge et de décharge, accélérant ainsi la cinétique des réactions électrochimiques.Power is defined by the speed at which a battery can release energy. To quantify this performance, a cycling protocol is applied, which increases the charge and discharge frequency, thus accelerating the kinetics of electrochemical reactions.
Pour comparer la performance en puissance au sein de cet exemple, les capacités des électrodes sont comparées. Les capacités sont mesurées à un taux de cyclage donné, exprimées en C/X, où X représente le nombre d'heures. Ces capacités seront ensuite exprimées en pourcentage par rapport à la capacité mesurée à un régime lent, spécifiquement lors du deuxième cycle à un taux de C/20.To compare power performance in this example, the electrode capacitances are compared. Capacities are measured at a given cycling rate and expressed as C/X, where X represents the number of hours. These capacities are then expressed as a percentage of the capacity measured at a low operating speed, specifically during the second cycle at a rate of C/20.
Les résultats de l’évaluation de la tenue en puissance sont présentés à la
Les résultats montrent que les électrodes contenant 10% en masse de graphène (dispersion selon l’invention) et 10% en masse de PVDF présentent une performance en puissance comparable à celle des électrodes de référence contenant 10% en masse de Super P C65 et 10% en masse de PVDF. Bien que les performances des électrodes à base de graphène (dispersion selon l’invention) soient légèrement inférieures à C/5, les deux types d'électrodes affichent une réduction de capacité similaire à un régime de 2C, en raison d'une forte polarisation. Ces résultats sont prometteurs, car ils démontrent un comportement compétitif dans des conditions exigeantes.
[0266] Il est également notable que, tant pour les électrodes de référence que pour celles à base de graphène, les performances mesurées à C/10, après les essais de puissance, restent équivalentes à celles observées avant ces tests. Cela suggère que les batteries testées ne subissent pas de dégradation significative après des cycles de charge et de décharge rapides, ce qui confirme la robustesse de ces systèmes.The results show that electrodes containing 10% by mass of graphene (dispersion according to the invention) and 10% by mass of PVDF exhibit power performance comparable to that of reference electrodes containing 10% by mass of Super P C65 and 10% by mass of PVDF. Although the performance of the graphene-based electrodes (dispersion according to the invention) is slightly lower than C/5, both types of electrodes display a capacitance reduction similar to a 2C regime, due to strong polarization. These results are promising, as they demonstrate competitive behavior under demanding conditions.
[0266] It is also noteworthy that, for both the reference electrodes and the graphene-based electrodes, the performance measured at C/10 after the power tests remains equivalent to that observed before these tests. This suggests that the tested batteries do not undergo significant degradation after rapid charge and discharge cycles, which confirms the robustness of these systems.
De manière complémentaire, il a été testé la tenue en puissance de différentes électrodes comprenant des teneurs en graphène différentes., à savoir 4% et 6% en masse de graphène (dispersion selon l’invention) par rapport à la masse totale de l’électrode.In addition, the power handling of different electrodes containing different graphene contents was tested, namely 4% and 6% by mass of graphene (dispersion according to the invention) relative to the total mass of the electrode.
La
Enfin, des mesures de tenue en puissance des électrodes ont été réalisée en faisant varier la teneur en PVDF, jouant le rôle de polymère liant.Finally, power handling measurements of the electrodes were carried out by varying the PVDF content, which acts as a binding polymer.
L'électrode étudiée était composée de 92% de graphite en masse par rapport à la masse totale de l’électrode, 4% en masse de PVDF par rapport à la masse totale de l’électrode et 4% en masse de graphène (dispersion selon l’invention) par rapport à la masse totale de l’électrode. Malgré une proportion réduite de PVDF, l'électrode présente d'excellentes propriétés mécaniques. La performance en puissance de l'échantillon contenant 4% en masse de PVDF par rapport à la masse totale de l’électrode a été comparée à celle d'un échantillon contenant 10% en masse de PVDF par rapport à la masse totale de l’électrode, les deux échantillons ayant en commun une addition de 4% en masse de graphène (dispersion selon l’invention) par rapport à la masse totale de l’électrode.The electrode studied was composed of 92% graphite by mass relative to the total electrode mass, 4% PVDF by mass relative to the total electrode mass, and 4% graphene by mass (dispersion according to the invention) relative to the total electrode mass. Despite a low proportion of PVDF, the electrode exhibited excellent mechanical properties. The power performance of the sample containing 4% PVDF by mass relative to the total electrode mass was compared to that of a sample containing 10% PVDF by mass relative to the total electrode mass, both samples having in common the addition of 4% graphene by mass (dispersion according to the invention) relative to the total electrode mass.
Les résultats présentés à la
L'électrode affichant la meilleure tenue en puissance est celle avec 4% en masse de graphène (dispersion selon l’invention) par rapport à la masse totale de l’électrode et 4% en masse de PVDF par rapport à la masse totale de l’électrode.The electrode exhibiting the best power handling is the one with 4% by mass of graphene (dispersion according to the invention) relative to the total mass of the electrode and 4% by mass of PVDF relative to the total mass of the electrode.
Les résultats de la tenue en puissance des différentes électrodes utilisées dans cet exemple ont été compilés dans la
Claims (32)
1) Solubilisation de graphite réalisée sous atmosphère inerte formant une solution de graphènure ;
2) Oxydation de la solution de graphènure obtenue à l’étape 1) pour obtenir une dispersion organique de graphène ; et
3) Transfert de la dispersion organique de graphène obtenue à l’étape 2) dans un polymère formant une dispersion liquide de graphène.A liquid dispersion of graphene, comprising a solvent, a polymer, at least 0.1 g/L of graphene and having an absolute viscosity measured at 25°C under the effect of a 10 s-1 shear using a rheometer of between 5 mPa.s and 10 Pa.s, characterized in that it is obtained by a process comprising the implementation of the following steps:
1) Solubilization of graphite carried out under an inert atmosphere forming a graphene solution;
2) Oxidation of the graphene solution obtained in step 1) to obtain an organic dispersion of graphene; and
3) Transfer of the organic graphene dispersion obtained in step 2) into a polymer forming a liquid graphene dispersion.
- une épaisseur moyenne comprise entre 1 et 8 nm et/ou ;
- une taille latérale moyenne d’au moins 200nm.Dispersion according to any one of the preceding claims, characterized in that the graphene sheets exhibit:
- an average thickness between 1 and 8 nm and/or;
- an average lateral size of at least 200nm.
- 1350 cm-1 (pic D) ;
- 1580 cm-1 (pic G) ; et
- entre 2680 et 2700 cm-1 (pic 2D).Dispersion according to any one of the preceding claims, characterized in that it comprises 3 vibrational bands characteristic of graphene observed by RAMAN spectrophotometry:
- 1350 cm-1 (pic D);
- 1580 cm-1 (peak G); and
- between 2680 and 2700 cm-1 (peak 2D).
- un ratio d’intensité pic D / intensité pic G inférieur à 1,5 ; et
- un ratio d’intensité pic 2D / intensité G supérieur à 1.Dispersion according to the preceding claim, characterized in that it presents:
- a peak intensity D / peak intensity G ratio of less than 1.5; and
- a 2D peak intensity / G intensity ratio greater than 1.
- un pic D présentant une largeur à mi-hauteur inférieur à 33 cm-1 ; et/ou
- un pic 2D présentant une largeur à mi-hauteur inférieur à 55cm-1.Dispersion according to claim 15 or 16, characterized in that it comprises:
- a peak D with a full width at half maximum (FWHM) of less than 33 cm-1; and/or
- a 2D peak with a full width at half maximum (FWHM) of less than 55cm-1.
*entre 80 et 97% de solvant en poids par rapport au poids total de la dispersion ;
* entre 2 et 10% de polymère en poids par rapport au poids total de la dispersion ; et
* entre 1et 10% de graphène en poids par rapport au poids total de la dispersion.Dispersion according to any one of the preceding claims, characterized in that it comprises:
*between 80 and 97% solvent by weight relative to the total weight of the dispersion;
* between 2 and 10% polymer by weight relative to the total weight of the dispersion; and
* between 1 and 10% graphene by weight relative to the total weight of the dispersion.
a) Intercalation d’au moins un métal alcalin dans du graphite conduisant à un composé d’intercalation du graphite ; et
b) Exfoliation chimique combinée à une exfoliation mécanique du composé d’intercalation du graphite, caractérisées en ce que le composé d’intercalation du graphite est mélangé à un solvant dans un régime turbulent présentant :
- un nombre de Reynolds supérieur à 1000 ;
- un nombre de Froude inférieur à 1 ; et
- un taux de cisaillement inférieur à 400s-1, de façon à obtenir une solution de graphènure.Dispersion according to any one of the preceding claims, characterized in that step 1) of solubilization carried out under an inert atmosphere of the graphite of the process comprises the following steps:
a) Intercalation of at least one alkali metal into graphite leading to a graphite intercalation compound; and
b) Chemical exfoliation combined with mechanical exfoliation of the graphite intercalation compound, characterized in that the graphite intercalation compound is mixed with a solvent in a turbulent regime exhibiting:
- a Reynolds number greater than 1000;
- a Froude number less than 1; and
- a shear rate of less than 400s-1, in order to obtain a graphene solution.
1) Solubilisation de graphite réalisée sous atmosphère inerte formant une solution de graphènure ;
2) Oxydation de la solution de graphènure obtenue à l’étape 1) pour obtenir une dispersion organique de graphène ; et
3) Transfert de la dispersion organique de graphène obtenue à l’étape 2) dans un polymère formant une dispersion liquide de graphène.A method for obtaining a liquid dispersion of graphene according to any one of the preceding claims, characterized in that it comprises the following steps:
1) Solubilization of graphite carried out under an inert atmosphere forming a graphene solution;
2) Oxidation of the graphene solution obtained in step 1) to obtain an organic dispersion of graphene; and
3) Transfer of the organic graphene dispersion obtained in step 2) into a polymer forming a liquid graphene dispersion.
a) Intercalation d’au moins un métal alcalin dans du graphite conduisant à un composé d’intercalation du graphite ; et
b) Exfoliation chimique combinée à une exfoliation mécanique du composé d’intercalation du graphite, caractérisées en ce que le composé d’intercalation du graphite est mélangé à un solvant dans un régime turbulent présentant :
- un nombre de Reynolds supérieur à 1000 ;
- un nombre de Froude inférieur à 1 ; et
- un taux de cisaillement inférieur à 400s-1, de façon à obtenir une solution de graphènure.A process according to any one of claims 20 to 22, characterized in that the solubilization step carried out under an inert atmosphere of graphite comprises the following steps:
a) Intercalation of at least one alkali metal into graphite leading to a graphite intercalation compound; and
b) Chemical exfoliation combined with mechanical exfoliation of the graphite intercalation compound, characterized in that the graphite intercalation compound is mixed with a solvent in a turbulent regime exhibiting:
- a Reynolds number greater than 1000;
- a Froude number less than 1; and
- a shear rate of less than 400s-1, in order to obtain a graphene solution.
* entre 1 et 10% en masse de dispersion selon l’invention par rapport à la masse totale de l’électrode ;
*entre 1 et 10% en masse de polymère, préférentiellement de PVDF, par rapport à la masse totale de l’électrode; et
*entre 80 et 98% en masse de matériau actif, préférentiellement du graphite ou tout matériau apte à former une électrode pour un dispositif de stockage de l’énergie par rapport à la masse totale de l’électrodeElectrode according to claim 29 or 30, characterized in that it comprises:
* between 1 and 10% by mass of dispersion according to the invention relative to the total mass of the electrode;
*between 1 and 10% by mass of polymer, preferably PVDF, relative to the total mass of the electrode; and
*between 80 and 98% by mass of active material, preferably graphite or any material suitable for forming an electrode for an energy storage device, relative to the total mass of the electrode
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