Étude de traitements de sulfuration de monocouches et multi-feuillets de graphène en phase liquide et gazeuse

Pour répondre à un besoin grandissant de batteries pour le grand public, des alternatives aux batteries Li-ion comme les batteries Li-S sont étudiées. Ces dernières présentent des avantages de puissance, de poids, de coûts et d’impact environnemental pour devenir des batteries compétitives dites post-ion. Cependant, leurs désavantages empêchent encore leurs applications, elles possèdent par exemple une faible durée de vie principalement due à la perte du soufre, la matière active de la cathode lors de leur fonctionnement. Cette perte est due à la navette polysulfure, un phénomène produisant des sous-produits insolubles dans l’électrolyte lors des cycles de charge-décharge de la batterie Li-S. Pour répondre à ces obstacles, les nanostructures de carbone sont étudiées en tant que cathodes pour leur conductivité, leur résistance mécanique ainsi que la possibilité de rétention du soufre. Afin de réduire la navette polysulfure, le soufre peut être piégé physiquement dans des pores, ancré par adsorption chimique et fixé de façon covalente à des matrices de carbone. Cette thèse se concentre sur la fonctionnalisation du graphène par le soufre de manière covalente pour répondre à un besoin de matériaux éligibles au développement de cathodes de batteries Li-S. Pour cela, la sulfuration du graphène sous diverses formes a été effectuée à l’aide de protocoles verts en phase gazeuse et en phase liquide. Ces traitements sont étudiés à l’aide d’un large éventail de techniques de caractérisation spectroscopiques et microscopiques. Dans un premier temps, la sulfuration en phase gazeuse semble être une réaction se produisant uniquement en surface des multi-feuillets de graphène ajoutant des groupements soufrés tels que des thiones et des ponts épisulfures. Le passage du traitement au soufre sur les monocouches de graphène semble aussi être en adéquation avec les modèles théoriques de structure, de spectre Raman et d’UPS d’un épisulfure de graphène avec un taux de soufre allant jusqu’à 20 %at. Dans un deuxième temps, les difficultés de préparer un échantillon viable pour de la microscopie électronique à transmission ont poussé à étendre la preuve de la synthèse du graphène-soufre (GS). Une méthode élégante utilisant l’isotope 13C a été mise en avant et permet de distinguer si les signaux Raman associés à des groupements soufrés impliquent bien un lien covalent avec le graphène. Cette expérience a montré par surprise que le protocole en phase gaz mène plutôt à du soufre fixé à d’autres carbones que ceux du graphène.