Formulation d'électrolytes à base de liquides ioniques pour les applications de supercondensateurs

• Auteur / Autrice : Rongying Lin
• Direction : Patrice Simon, Sébastien Fantini
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et génie des matériaux
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Toulouse 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Liquides ioniques

Condensateurs électriques

Électrolytes

Mots clés libres

Supercondensateur

Electrolyte

Liquide ionique

Mélange eutectique

Carbone

Electrochimie

Résumé

Le stockage de l'énergie est indispensable pour répondre aux besoins énergétiques quotidiens. Sans le recours à des systèmes de stockages, l'énergie surproduite sera gaspillée et l'énergie sous produite entraînera des interruptions des activités quotidiennes. Par conséquent, les systèmes de stockage d'énergie, parmi lesquels on trouve les supercondensateurs jouent un rôle primordial. Ceux-ci présentent un grand intérêt dans les applications de puissance puisqu'ils peuvent stocker et fournir de l'électricité rapidement (quelques secondes) grâce à un fonctionnement basé sur le stockage électrostatique des charges électriques : les ions d'un électrolyte sont adsorbés/désorbés à la surface de la matière active des électrodes. Les objectifs de cette thèse sont (1) d'étudier la charge de la double couche électrochimique, constituée par les ions de l'électrolyte et les charges induites par l'application d'un potentiel externe au niveau des électrodes, en vue d'augmenter la capacité et (2) de formuler des électrolytes à base de liquides ioniques dans le but d'augmenter la fenêtre de potentiel d'électrochimique, et donc l'énergie. Ces travaux de recherches ont été réalisés en partenariat avec la société industrielle Solvionic, spécialisée dans le développement et la production de liquides ioniques, et le laboratoire du CIRIMAT de l'université Paul Sabatier. Les résultats obtenus à l'issue de cette étude ont conduit à trois publications, dans lesquelles nous avons tout d'abord montré que la taille des pores de la matière active et la taille des ions de l'électrolyte doivent être adaptée pour augmenter la capacité, la capacité est maximale lorsque la taille des pores est proche de la taille des ions. En utilisant un liquide ionique solvaté (EMI-TFSI + acétonitrile), nous avons également montré que les ions de l'électrolyte sont partiellement désolvatés lors de leur adsorption dans les micropores inférieurs à 1 nm. En fin, des mélanges de liquides ioniques ont été préparés en sélectionnant des cations spécifiques, et des électrolytes eutectiques liquides jusqu'à -80°C. L'association de ce type de liquide ionique et de nanotubes de carbone possédant une structure ouverte permet d'utiliser une large gamme de température de -50°C jusqu'à 100°C pour le fonctionnement des supercondensateurs. Ces recherches ont donc permis d'une part d'approfondir la compréhension de la relation taille des ions/taille de pore dans le but d'augmenter les performances de supercondensateurs ; D'autre part, la découverte de nouvelles propriétés des mélanges de liquides ioniques ont permis d'étendre la gamme de températures pour les applications des supercondensateurs.

Energy storage is indispensable for the sustainability of our daily energy needs. Without the support of energy storage systems, the over production of energy would be wasted and the shortage of energy would result in consequential disruptions to our daily activities. Electrochemical energy storage (EES) systems serve as one of the distributed energy technologies and are drawing attention in research to address today's industrial and societal challenges for security and sustainability of energy that they can provide. Amongst the EES, Electrochemical capacitors (EC), also known as supercapacitors are emerging to be prospective energy storage devices with high and fast power delivery owing to the simple charge storage mechanism based on electrostatic attraction: the adsorption of the ions of an electrolyte onto the surface area of the active material of the electrodes. The objectives of this thesis are (1) to study the capacitive behaviour of the electrochemical double layer, constituted by the ions of the electrolyte and the charges induced by the application of an external potential at the electrodes, in view to increase the capacitance and (2) to formulate electrolytes based on ionic liquids with the goal to increase the electrochemical window and hence energy density of the ECs. Ionic liquids (ILs) have in recent years emerged as a neoteric genre of electrolytes which offer great varieties of electrochemical as well as physical properties (ionic conductivity, melting points, electrochemical stability, etc. ). In this context, this thesis has been effectuated by SOLVIONIC, a company which specialized in the research and development of ionic liquids and formulation of electrolytes, in collaboration with CIRIMAT in University of Paul Sabatier in Toulouse, France. Results have provided better insights and understanding on the electrolyte/electrode interface in view of increasing the performances of supercapacitors. A new approach of optimizing the electrode/electrolyte interface that allows capacitive energy storage in a widened temperature range from -50°C to 100 °C has also been demonstrated using formulated eutectic mixtures of ionic liquids and architected electrodes.