Bio-Sourced Quinones for Sustainable Electrochemical Energy Storage: The Case Studies of Tannins and Sepia Melanin

Les technologies de stockage d'énergie électrochimique sont devenues un catalyseur essentiel pour accélérer la transition énergétique verte en promouvant l'intégration des sources d'énergie renouvelables. Cependant, l'adoption des stratégies de décarbonisation, ainsi que la hausse de la demande mondiale pour les appareils électroniques portables, exerce une pression considérable sur la chaîne d'approvisionnement des matériaux stratégiques et critiques (par ex., Co et Li). La chaîne d'approvisionnement de ces éléments critiques, depuis l'extraction minière et le traitement jusqu'à la gestion des déchets, présente des défis environnementaux, sociaux et géopolitiques importants. Par ailleurs, l'accumulation mondiale des déchets d'équipements électriques et électroniques (DEEE) exacerbe cette problématique, notamment dans les pays où les cadres économiques actuels limitent des solutions de recyclage viables. Par conséquent, la transition vers des systèmes de stockage d'énergie éco-conçus s'avère impérative. L'éco-conception dans les systèmes de stockage d'énergie électrochimique repose sur plusieurs principes clés, parmi lesquels : i) la sélection de matériaux bio-sourcés et abondants dans la croûte terrestre (par ex., extraits de la biomasse) pour remplacer les substances critiques; ii) l'application de techniques de fabrication avancées pour minimiser l'embedded energy ; et iii) l'évaluation des scénarios de fin de vie dispositifs. Les molécules organiques bio-sourcées redox-actives présentent des avantages significatifs pour l'éco-conception de systèmes de stockage d'énergie durables, notamment leur abondance, leur faible coût, leur processabilité en solution et leur potentielle biodégradabilité. Lorsqu'elles sont intégrées à des électrodes à base de carbone, ces molécules améliorent la capacité de stockage d'énergie via des mécanismes de transfer de charge Faradaïques. Cependant, l’optimisation des performances de ces systèmes nécessite une ingénierie minutieuse des surfaces/interfaces de l'électrode avec les molécules redox et l'électrolyte, afin d'améliorer, entre autres, la capacité de charge rapide et la stabilité au cyclage. Dans cette thèse de doctorat, nous étudions l'utilisation de matériaux organiques moléculaires bio-sourcés dans le développement de dispositifs de stockage d'énergie éco-conçus, en adoptant les principes de la chimie verte pour minimiser l’embedded energy et l'empreinte environnementale, tout en assurant des performances électrochimiques favorables.

Abstract

Energy storage technology has emerged as a critical enabler in advancing the green energy transition by facilitating decarbonization and promoting the integration of renewable energy sources into the global energy landscape. However, the widespread adoption of decarbonization strategies in all sectors, along with the surge in global demand for consumer electronics and portable devices, places considerable strain on the supply chain for strategic and critical battery materials (e.g., Co and Li). The entire supply chain of these critical elements, from mineral extraction and processing to waste management, presents substantial environmental, social, and geopolitical challenges. On the other hand, the global accumulation of waste electrical and electronic equipment (WEEE), and its powering components exacerbates this challenge, especially in countries where current economic frameworks hinder viable recycling solutions. Therefore, the transition to eco-designed energy storage systems is imperative. Eco-design in electronics and their powering components emphasizes environmental considerations across the device lifecycle. Key principles include: (i) choosing earth-abundant, bio-sourced materials to replace critical or hazardous substances; (ii) employing advanced fabrication techniques to lower embodied energy; and (iii) evaluating end-of-life scenarios to minimize devices' environmental impact. Organic bio-sourced redox-active molecules present key advantages for eco-design of sustainable energy storage systems, including abundance, cost-effectiveness, solution processability, and potential biodegradability. When integrated with carbon-based electrodes, these molecules enhance energy storage capacitance via Faradaic charge storage mechanisms. Optimizing the performance of these systems requires meticulous surface/interface engineering of the electrode, the redox-active molecule, and the electrolyte to improve among others rate capability and cycling stability. In this PhD thesis, we investigate the use of organic bio-sourced materials in the development of eco-designed energy storage devices, adopting green chemistry principles to minimize embodied energy and environmental footprint of such devices, while ensuring favorable electrochemical performance.