First-Principles Study of Two-Dimensional Dirac cone materials MB₂C₂ (M=Ti, Zr) as Promising Anode Materials for Lithium- and Sodium-Ion Batteries

Le Doyen de la Faculté des Sciences et Techniques de Béni Mellal porte à la connaissance du public que Monsieur ETRINI Ayoub, soutiendra une thèse de Doctorat intitulée : « First-Principles Study of Two-Dimensional Dirac cone materials MB₂C₂ (M=Ti, Zr) as Promising Anode Materials for Lithium- and Sodium-Ion Batteries».

La soutenance publique aura lieu le Vendredi 16 Octobre 2026 à 09h30 à la Faculté Polydisciplinaire de Khouribga, Université Sultan Moulay Slimane, devant le jury composé de :

• Monsieur El Mhammedi Moulay Abderrahim : Professeur, Faculté Polydisciplinaire, Université Sultan Moulay Slimane, Khouribga, Président ;

• Monsieur Fathi Ahmed : Maître de Conférence Habilité, Faculté Polydisciplinaire, Université Sultan Moulay Slimane, Khouribga, Rapporteur ;

• Monsieur Moubah Reda : Professeur, Faculté des Sciences, Université Hassan II, Casablanca, Rapporteur ;

• Madame Rachid Fatimzahra : Maître de Conférence Habilité, Faculté Polydisciplinaire, Université Sultan Moulay Slimane, Khouribga, Rapporteure ;

• Monsieur Hassani Abdessamad : Maître de Conférence Habilité, Faculté Polydisciplinaire, Université Sultan Moulay Slimane, Khouribga, Examinateur ;

• Monsieur Charafi Moulay Mustapha : Professeur, Faculté Polydisciplinaire, Université Sultan Moulay Slimane, Khouribga, Examinateur ;

• Monsieur El Bouziani Mohamed : Professeur, Facuté des Sciences, Université Chouaib Doukkali, El Jadida, Invité ;

• Monsieur Hasnaoui Abdellatif : Professeur, Faculté Polydisciplinaire, Université Sultan Moulay Slimane, Khouribga, Co-directeur de thèse ;

• Monsieur Sbiaai Khalid : Professeur, Faculté Polydisciplinaire, Université Sultan Moulay Slimane, Khouribga, Directeur de thèse ;

Résumé :

En réponse à la demande mondiale croissante en énergie et à l'urgence de se détourner des combustibles fossiles, le développement de systèmes de stockage d'énergie efficaces, fiables et durables est devenu un défi scientifique et technologique majeur. Parmi les diverses technologies de stockage d'énergie, les batteries lithium-ion (LIB) se sont imposées comme une solution de premier plan en raison de leur haute densité énergétique, de leur longue durée de vie et de leurs performances excellentes dans une large gamme d'applications allant des appareils électroniques portables aux véhicules électriques et au stockage à grande échelle sur le réseau. Depuis leur commercialisation au début des années 1990, les batteries lithium-ion (LIB) ont révolutionné le paysage énergétique et ont joué un rôle crucial dans la mise en œuvre de technologies mobiles et à faibles émissions. Cependant, malgré leur succès, les technologies actuelles des batteries lithium-ion (LIB) font face à des limitations significatives, notamment la rareté et la distribution géographique inégale des matières premières (en particulier le lithium et le cobalt), les risques de sécurité tels que le phénomène d'emballement thermique, la capacité spécifique limitée et les préoccupations environnementales liées à leur production et à leur élimination en fin de vie. Ces défis ont incité à des recherches approfondies sur de nouveaux matériaux et des chimies de batteries visant à améliorer les performances, à renforcer la sécurité et à garantir la durabilité à long terme.

Pour adresser ces problèmes, les batteries sodium-ion (SIBs) ont émergé comme une alternative prometteuse, tirant parti de l'abondance naturelle et du faible coût du sodium. Les batteries sodium-ion (SIBs) offrent une chimie d'intercalation similaire à celle des batteries lithium-ion (LIBs) et sont particulièrement attrayantes pour les applications de stockage d'énergie à grande échelle et stationnaires. Néanmoins, le développement de SIBs à haute performance reste un défi majeur en raison des inconvénients inhérents, tels que le plus grand rayon ionique du sodium, ce qui entraîne une cinétique de diffusion plus lente, des hôtes d'intercalation limités et une capacité spécifique inférieure par rapport aux LIBs. 

Cependant, les batteries lithium-ion conventionnelles utilisent généralement le graphite comme matériau d'anode, ce qui offre des performances limitées en raison de son énergie spécifique relativement faible et de sa capacité théorique modeste. De plus, le graphite est inadapté aux batteries sodium-ion car il présente une capacité extrêmement faible. En conséquence, il y a un intérêt croissant pour la recherche de matériaux d'anode avancés et haute performance capables de répondre aux exigences des LIB et des SIB. 

Inspirée par les propriétés remarquables du graphène, telles que sa haute conductivité électrique, sa résistance mécanique et sa grande surface, la recherche s'est de plus en plus orientée vers les matériaux bidimensionnels (2D) comme candidats pour les anodes de nouvelle génération. Parmi eux, les matériaux à cône de Dirac 2D se distinguent par leurs structures électroniques uniques, hébergeant des fermions de Dirac sans masse qui permettent une haute mobilité des porteurs de charge et une cinétique de transport des ions favorable.

Cette thèse explore le potentiel des matériaux bidimensionnels à cône de Dirac en tant qu'anodes pour les batteries lithium-ion et sodium-ion. Grâce à une combinaison d'analyse théorique et de revue de la littérature, nous étudions leurs propriétés structurelles, électroniques et électrochimiques, dans le but d'identifier des matériaux capables de fournir de fortes capacités spécifiques, une bonne stabilité de cycle et une efficacité énergétique améliorée. L'étude vise à contribuer à la conception de systèmes de batteries avancés à la fois efficaces et évolutifs pour les applications énergétiques futures. 

Dans ce contexte, nous étudions un nouveau matériau bidimensionnel à cône de Dirac, TiB_2 C_2 en tant que candidat prometteur pour les batteries lithium-ion, en utilisant des calculs basés sur les premiers principes. Le matériau démontre une stabilité mécanique, dynamique et thermique, indiquant son potentiel pour une synthèse expérimentale. En raison de sa légèreté, de sa géométrie plane et de ses caractéristiques électroniques de Dirac, nous avons mené une étude approfondie sur l'adéquation du TiB_2 C_2 en tant qu’anode pour les LIBs. En analysant les énergies d'adsorption du lithium sur divers sites de surface, plusieurs positions d'adsorption favorables ont été identifiées, chacune montrant une forte interaction avec les ions lithium. De plus, le monocouche de TiB_2 C_2 présente une excellente conductivité électronique et ionique, un profil de tension stable et une intégrité structurelle robuste lors de l'intercalation du lithium. Notamment, il offre une capacité de stockage théorique élevée allant jusqu'à 1074,91 mAh·g⁻¹. Ces propriétés combinées soutiennent fortement la promesse du TiB_2 C_2 en tant que candidat anode haute performance pour les batteries lithium-ion de nouvelle génération.

Dans la deuxième étude, nous explorons le potentiel d'un autre matériau bidimensionnel à cône de Dirac, ZrB_2 C_2, en tant qu'anode pour les batteries lithium-ion et sodium-ion à travers des calculs de premiers principes. Nos résultats confirment que le ZrB_2 C_2 est stable en termes d'énergie, de dynamique et de comportement thermique, indiquant sa faisabilité pour une synthèse expérimentale. En évaluant les énergies d'adsorption des métaux alcalins sur le monocouche, nous avons identifié les sites les plus favorables sur le plan énergétique pour le stockage des ions lithium et sodium. La diffusion des atomes de Li et de Na à la surface présente de faibles barrières de migration 0,59 eV pour le Li et 0,32 eV pour le Na—indiquant une excellente mobilité des ions. Le monocouche de ZrB_2 C_2 maintient également une conductivité électronique et ionique exceptionnelle et montre une distorsion structurelle minimale lors de l'intercalation des ions, avec des changements de réseau de seulement 0,85 % pour le Li et 1,91 % pour le Na. De plus, le matériau offre des tensions moyennes prometteuses et des capacités spécifiques théoriques élevées, calculées à 1028,02 mAh·g⁻¹ pour le lithium et 489,53 mAh·g⁻¹ pour le sodium. Ces propriétés électrochimiques supérieures soulignent le fort potentiel du ZrB_2 C_2 en tant que matériau d'anode haute performance pour les batteries lithium-ion et sodium-ion de nouvelle génération. 

Cette thèse explore les principes fondamentaux, les matériaux et les avancées récentes des LIB, tout en abordant la nécessité de solutions de stockage d'énergie de nouvelle génération capables de répondre aux futures demandes mondiales en énergie de manière écologiquement responsable.

Mots-clés : Batteries lithium-ion (LIBs) ; batteries sodium-ion (SIBs) ; matériaux bidimensionnels (2D) ; matériaux à cône de Dirac ; matériaux d’anode ; théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) ; calculs de premiers principes ; adsorption et diffusion ioniques ; capacité de stockage.