New composite hydrogels for energy storage and production
De nouveaux hydrogels composites pour la production et le stockage énergétique
Résumé
Hydrogels are highly water-absorbent three dimensional viscoelastic networks, mainly based on polymers used in numerous fields such as biotechnology, food and pharmaceutical industry. However, the potential use of these materials in the energy domain has not yet been fully investigated. To bring new insights and perspectives, we have developed during this PhD thesis a spherical macroporous electrode made of a conductive hydrogel. It is composed of sodium alginate, a polyelectrolyte that can form a biocompatible hydrogel when mixed with water in presence of divalent cations. The addition of carbon nanotubes in the solution before gelation leads to the formation of an electronically conductive network. The formulation and the physicochemical characterization are first discussed. Then two direct applications will be detailed. The first one consists in encapsulating electroactive bacteria inside the composite hydrogel. The peculiar metabolism of Geobacter sulfurreducens allows electron transfer with the external medium through oxydo-reduction reactions. Current monitoring allows us to show proliferation and viability of the cells until depletion of nutrients in the medium. The second one is the incorporation of intercalation lithium particles in the same matrix for semi-solid redox flow battery domain. Characterization of the redox couple MnO2/LiMn2O4 and FePO4/LiFePO4 inside the hydrogel, will enable us to develop a Li-ion battery with a 0.65 V nominal tension.
Les hydrogels sont des matériaux poreux visco-élastiques formés d'un réseau tridimensionnel généralement de polymères capables d'absorber une grande quantité d'eau. Du fait de leurs propriétés, on les utilise principalement dans l'industrie pharmaceutique, agroalimentaire et dans le domaine des biotechnologies. Au cours de cette thèse, nous proposons d’ouvrir une voie encore peu exploitée qui est l’intégration des hydrogels pour le stockage et la production d’énergie. Dans un premier temps, les étapes qui ont conduit à la formulation ainsi qu’à la caractérisation physico-chimique d’une électrode poreuse à base d’alginate, un polyélectrolyte naturel,et de nanotubes de carbone sont décrites. Une première application consiste à encapsuler des bactéries électro-actives dans la matrice composite de carbone pour la production d’énergie. Le métabolisme particulier de la bactérie anaérobie Geobacter sulfurreducens permet des transferts d’électrons avec le milieu extérieur grâce à des réactions d’oxydo-réduction. Le suivi du courant dans le temps permet ainsi de montrer la prolifération et la viabilité des bactéries dans l’hydrogel jusqu’à déplétion du milieu en nutriments. Une seconde application est l’incorporation de particules d’intercalation du lithium dans cet hydrogel hybride, un matériau potentiellement utilisé dans des batteries en écoulement aqueuse. La caractérisation électro-chimique des couples redox MnO2/LiMn2O4 et FePO4/LiFePO4 au sein de l'hydrogel, montrera qu’il est possible de développer une batterie ion-lithium aqueuse d’une tension nominale de 0.65 V. Ce travail aura donc permis de mettre en avant l'intérêt et les perspectives de cet hydrogel conducteur pour le domaine énergétique.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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