Utilisation de dérives de viologènes et d’azopyridiniums dans des pile rédox à flux en milieux aqueux

Abstract

La nécessité de passer à des énergies renouvelables devient de plus en plus pressante à travers le monde. Les énergies éoliennes et solaires sont des méthodes de production d'électricité applicables dans toutes les régions de la planète. Le problème avec ces sources d'énergie est qu'elles sont intermittentes, c'est-à-dire qu'elles ne suivent pas le rythme de consommation de la société. Par exemple, la production d'électricité d'un panneau solaire est plus importante pendant la journée, alors que la population utilise beaucoup d'électricité le soir pour s'éclairer, chauffer et cuisiner. Le développement du stockage d’énergie à grande échelle devient donc nécessaire pour réussir la transition énergétique. Une solution est l’utilisation de piles rédox à flux qui ont la possibilité d’augmenter la puissance et la capacité indépendamment l’une de l’autre, ce qui réduit le coût de mise à l’échelle par rapport à d’autres types de batteries, comme les batteries aux ions-lithiums. Le problème avec les piles rédox à flux est que le système le plus performant utilise du vanadium comme principal matériau de stockage, un métal principalement utilisé dans la fabrication d'alliages pour matériaux de construction. La demande importante de vanadium fait que son prix est élevé par rapport à des molécules organiques qui ont les mêmes performances dans l’application des piles à flux. Dans ce mémoire, l’approche utilisée consiste à développer des dérivés de viologènes et d’azopyridiniums qui possèdent une meilleure solubilité que celle du vanadium, tout en conservant la même stabilité de cyclage. L’évaluation de nouveaux dérivés viologènes a permis d’obtenir des solubilités qui atteignent 2,7 M et une perte de capacité de cyclage de 0,29 %/jour à une concentration de 1 M. Pour les dérivés d’azopyridiniums, la solubilité peut atteindre 1,9 M avec une perte de capacité de 0,01 %/jour à une concentration de 1 M, ce qui correspond à 2 M d’électrons. Le développement de ces dérivés permet de mieux comprendre la stratégie adoptée pour la conception de nouvelles molécules organiques pour les piles rédox à flux et la découverte de la famille des azopyridiniums comme étant une option idéale comme molécule active dans le catholyte. The need to switch to renewable energy is becoming increasingly urgent around the world. Wind and solar power are methods of generating electricity that can be used in all regions of the world. The problem with these energy sources is that they are intermittent, meaning they do not keep pace with society's consumption. For example, the electricity produced by a solar panel is greater during the day, while people use a lot of electricity in the evening for lighting, heating and cooking. The development of large-scale energy storage is therefore essential if the energy transition is to succeed. One solution is the use of redox flow batteries, which have the ability to increase power and capacity independently, reducing the cost of scaling up compared to other battery types, such as lithium-ion batteries. The problem with redox flow batteries is that the most efficient system uses vanadium as the main storage material, a metal mainly used to make alloys for construction materials. The high demand for vanadium means that its price is high compared to organic molecules with the same performance in flow cell applications. The approach used in this work was to develop viologen and azopyridinium derivatives that have better solubility than vanadium while maintaining the same cycling stability. The viologen synthesis achieved solubilities up to 2.7 M and a temporal loss of 0.29%/day at 1 M concentration. For the azopyridinium derivatives, the solubility can reach 1,9 M with a temporal loss of 0.01%/day at 1 M concentration, corresponding to 2 M electrons. The development of these derivatives provides further insight into the strategy of designing new organic molecules for redox flow batteries and the discovery of the azopyridinium family as an ideal option as an active molecule in the catholyte.