Stockage de charge électrochimique, Insertion de protons, Batterie aqueuse, Anatase, Électrode nanostructurée, TiO2 amorphe

Afin de permettre un apport plus important d'énergie renouvelable au niveau du réseau électrique, il est urgent d'augmenter nos capacités de stockage. Un moyen d'atteindre cet objectif est le développement d'une batterie aqueuse rechargeable à protons, reposant sur le proton comme porteur de charge de petite taille et léger, permettant une charge/décharge rapide et un cycle long, ainsi que sur des électrolytes aqueux pour garantir la sécurité, une conductivité ionique élevée et le respect de l'environnement. Dans ce travail, le dioxyde de titane (TiO2) a été étudié en tant que candidat pour le matériau d'anode à insertion de protons dans des électrolytes aqueux, en utilisant comme électrodes modèles des électrodes nanostructurées parfaitement définies et hautement reproductibles constituées du matériau pur. Leur capacité à stocker réversiblement des charges couplées à l'insertion de protons a été étudiée de manière approfondie en fonction de paramètres intrinsèques, tels que la cristallinité du TiO2, ainsi que de paramètres extrinsèques, notamment la composition de l'électrolyte et le pH. Tout d'abord, l'influence de la composition de l'électrolyte et du pH a été étudiée sur les électrodes de TiO2 amorphe en comparant l'insertion réversible de protons dans des électrolytes aqueux tamponnés et non tamponnés. Cette étude a révélé la dépendance au pH du processus de stockage de charge couplé aux protons sur toute la gamme de pH de l'eau ainsi que l'avantage des électrolytes tamponnés pour stabiliser le potentiel d'insertion/désinsertion et réduire l'hystérésis du potentiel lors du cyclage. Ensuite, l'influence de la cristallinité du matériau actif a été étudiée en comparant le stockage de charge couplé à l'insertion de protons sur des électrodes de TiO2 amorphe et anatase. Il a été démontré que l'insertion réversible de protons est un processus de stockage de charge en profondeur dans les deux électrodes, la cristallinité du matériau n'influençant que les aspects énergétiques mais pas les aspects dynamiques du processus. De plus, l'insertion réversible de protons a été montrée beaucoup plus rapide que le lithium-ion. Cependant, nous concluons que le TiO2 n'est pas le matériau anodique idéal pour une batterie à protons, en raison de réactions secondaires compétitives telles que l'évolution de l'hydrogène et la dissolution acide. Pour autant, les connaissances fondamentales acquises au cours de la présente étude restent d'un intérêt primordial en fournissant un cadre complet pour l'étude de l'insertion réversible des protons dans une large gamme de matériaux actifs.