Published October 4, 2019 | Version v1
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New composite hydrogels for energy storage and production

Description

Hydrogels are highly water-absorbent three dimensional viscoelastic networks, mainly based on polymers used in numerous fields such as biotechnology, food and pharmaceutical industry. However, the potential use of these materials in the energy domain has not yet been fully investigated. To bring new insights and perspectives, we have developed during this PhD thesis a spherical macroporous electrode made of a conductive hydrogel. It is composed of sodium alginate, a polyelectrolyte that can form a biocompatible hydrogel when mixed with water in presence of divalent cations. The addition of carbon nanotubes in the solution before gelation leads to the formation of an electronically conductive network. The formulation and the physicochemical characterization are first discussed. Then two direct applications will be detailed. The first one consists in encapsulating electroactive bacteria inside the composite hydrogel. The peculiar metabolism of Geobacter sulfurreducens allows electron transfer with the external medium through oxido-reduction reactions. Current monitoring allows us to show proliferation and viability of the cells until depletion of nutrients in the medium. The second one is the incorporation of intercalation lithium particles in the same matrix for semi-solid redox flow battery domain. Characterization of the redox couple MnO2/LiMn2O4 and FePO4/LiFePO4 inside the hydrogel, will enable us to develop a Li-ion battery with a 0.65 V nominal tension. (author)

Abstract (French)

Les hydrogels sont des materiaux poreux visco-elastiques formes d'un reseau tridimensionnel generalement de polymeres capables d'absorber une grande quantite d'eau. Du fait de leurs proprietes, on les utilise principalement dans l'industrie pharmaceutique, agroalimentaire et dans le domaine des biotechnologies. Au cours de cette these, nous proposons d'ouvrir une voie encore peu exploitee qui est l'integration des hydrogels pour le stockage et la production d'energie. Dans un premier temps, les etapes qui ont conduit a la formulation ainsi qu'a la caracterisation physico-chimique d'une electrode poreuse a base d'alginate, un polyelectrolyte naturel, et de nanotubes de carbone sont decrites. Une premiere application consiste a encapsuler des bacteries electro-actives dans la matrice composite de carbone pour la production d'energie. Le metabolisme particulier de la bacterie anaerobie Geobacter sulfurreducens permet des transferts d'electrons avec le milieu exterieur grace a des reactions d'oxydo-reduction. Le suivi du courant dans le temps permet ainsi de montrer la proliferation et la viabilite des bacteries dans l'hydrogel jusqu'a depletion du milieu en nutriments. Une seconde application est l'incorporation de particules d'intercalation du lithium dans cet hydrogel hybride, un materiau potentiellement utilise dans des batteries en ecoulement aqueuse. La caracterisation electro-chimique des couples redox MnO2/LiMn2O4 et FePO4/LiFePO4 au sein de l'hydrogel, montrera qu'il est possible de developper une batterie ion-lithium aqueuse d'une tension nominale de 0.65 V. Ce travail aura donc permis de mettre en avant l'interet et les perspectives de cet hydrogel conducteur pour le domaine energetique. (auteur)

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Original title (French)
De nouveaux hydrogels composites pour la production et le stockage energetique

Publishing Information

Imprint Pagination
149 p.
Report number
FRNC-TH--15011

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Notes
142 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses