Biosourced Quinone-Based Molecular Materials for Electrochemical Energy Storage

L'accès à une énergie propre et abordable pour tous est l'un des 17 principaux objectifs de développement durable des Nations Unies. Une demande continue en énergie, due à la croissance de la population mondiale et aux changements de mode de vie (du consommateur au consommable), l'épuisement des ressources naturelles à un rythme alarmant et de nombreuses préoccupations environnementales (comme le réchauffement planétaire) motivent une transition des combustibles fossiles vers des sources renouvelables intermittentes, comme le vent et le soleil. Cependant, l'intermittence de l'énergie reçue du soleil souligne nécessite des dispositifs de stockage d'énergie efficaces. En outre, l'utilisation accrue de véhicules électriques et d'appareils électroniques portables ainsi que le développement de l'Internet des Objets entraînent une augmentation considérable des déchets d'équipements électriques et électroniques (DEEE) nécessitant d'avantage de sources d'énergie, durables et peu coûteuses. Parmi les dispositifs de stockage d'énergie électrochimique, les condensateurs électrochimiques ont se démarquent en raison de leur haute densité de puissance, de leur longue durée de vie et de leurs niveaux élevés de fiabilité et de sécurité de fonctionnement. Des électrodes composées de matériaux organiques biosourcés et biodégradables, fonctionnant dans des électrolytes aqueux, sont prometteurs pour la prochaine génération de stockage d'énergie électrochimique durable. Malheureusement, les matériaux organiques présentent souvent une faible conductivité électronique, une résistance de contact élevée avec les collecteurs de courant et, par conséquent, une stabilité de cycle limitée. L'eumélanine, qui constitue le matériau d'étude de cette thèse de doctorat, est une macromolécule biosourcée et potentiellement biodégradable à base de quinone. Elle est omniprésente dans la flore et la faune. Elle présente une activité redox, une absorption optique ultraviolette-visible à large bande, une réponse (photo) électrique dépendante de l'hydratation. Des propriétés dechélation d'ions métalliques et un piégeage des radicaux libres ont aussi été mises en évidence. Cette thèse étudie les relations entre la structure et l'activité redox de la mélanine synthétisée chimiquement et de l'eumélanine naturelle (mélanine sépia extraite du sac d'encre de la seiche), afin de développer des matériaux d'électrode organiques durables pour le stockage d'énergie électrochimique à haute performance.

Abstract

The United Nations set that access to clean and affordable energy for all is one of the 17 main sustainable development goals. The ongoing demand for energy due to worldwide population growth and lifestyle changes (from consumer to consumable), along with the depletion of natural resources at an alarming rate and environmental concerns (e.g., global warming) are motivating the change from fossil fuels to intermittent renewable sources, such as wind and sun. The intermittency of energy received from the sun, however, highlights the need for efficient energy storage devices. In addition, the increased use of electric vehicles and portable electronic devices as well as the development of the Internet of Things bring to a dramatic increase of waste electrical and electronic equipment (WEEE) and require low cost and sustainable power sources as well. Among electrochemical energy storage devices, electrochemical capacitors have attracted considerable attention due to their high-power density, long cycle life and high levels of reliability and operation safety. Biosourced and biodegradable organic electrode materials, operating in aqueous electrolytes, are promising for next generation sustainable electrochemical energy storage. Unfortunately, organic materials often exhibit low electronic conductivity, high contact resistance with current collectors and in turn limited cycling stability. Eumelanin, the case study material of this PhD work, is a biosourced and potentially biodegradable quinone-based macromolecule ubiquitous in flora and fauna. It features redox activity, broadband ultraviolet-visible optical absorption, hydration-dependent (photo) electrical response as well as metal-ion chelation and free radical scavenging. This PhD work investigates the structure-redox activity relationships of chemically controlled melanin and natural eumelanin (sepia melanin extracted from the ink sac of cuttlefish), to develop sustainable organic electrode materials for high performance electrochemical energy storage. Chapter 1 gives an overview about sustainable materials for electrochemical energy storage with a focus on eumelanin and its physicochemical properties.