Caractérisation électrochimique de matériaux à insertion de Li pour supercondensateurs hybrides à haute densité d'énergie

Electrochemical characterization of Li insertion cmpounds for high energy density hybrid supercapacitors

• Auteur / Autrice : Jérémy Come
• Direction : Patrice Simon, Pierre-Louis Taberna
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et génie des matériaux
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Toulouse 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Batteries lithium-ion

Énergie -- Conversion directe

Condensateurs électrochimiques

Mots clés libres

Pseudocapacité

Accumulateur Li-ion

Stockage faradique

Cinétique électrochimique

DRX in-situ

Résumé

Les caractérisations électrochimiques effectuées sur différents matériaux à insertion de Li ont permis d'évaluer leurs performances de puissance. Il a ensuite été possible de concevoir des supercondensateurs hybrides à haute densité d'énergie grâce à i) l'augmentation de la capacité spécifique par l'utilisation d'un LiFePO4, ii) l'augmentation de la tension de fonctionnement en utilisant le Ti2C, un nouveau matériau obtenu par l'exfoliation d'une phase MAX, et iii) l'utilisation d'un matériau pseudocapacitif, le Nb2O5, permettant d'augmenter la densité d'énergie sans perte de puissance. Ce dernier cas a permis de mettre en évidence pour la première fois le phénomène de pseudo-intercalation comme une propriété intrinsèque du matériau. Ce processus de stockage de charges met en jeu l'intercalation du Li dans le volume des particules sans changement de phases et sans limitation par la diffusion, contrairement à la majorité des matériaux à insertion de Li. Ceci a alors permis d'atteindre des capacités élevées en des temps de charge/décharge de l'ordre de quelques secondes. Ces résultats montrent l'intérêt des matériaux faradiques pour concevoir des systèmes de puissance à haute densité d'énergie.

Electrochemical characterizations of Li-ion insertion compounds were performed to assess their power performances. They were used to design hybrid supercapacitors with high energy density, by i) increasing the specific capacity by using a LiFePO4, ii) increasing the operating voltage by using Ti2C, a new compound obtained from exfoliation of a MAX phase, and iii) using a pseudocapacitive material, Nb2O5, that enables to achieve high energy with no power loss. In the latter, the pseudo-intercalation charge storage mechanism was characterized for the first time as an intrinsic property of the material. It involves Li insertion in the bulk in a one-phase system without diffusion limitation, unlike most battery materials. This phenomenon enabled to achieve high capacity values for short charge/discharge times, consistent with supercapacitors time constant. These results highlight the interest of faradic materials for designing high energy density power devices.