Micro-supercondensateurs tout solides à électrolyte ionogel

All solid-state micro-supercapacitors with ionogel electrolyte

• Auteur / Autrice : Mylène Brachet
• Direction : Jean Le Bideau, Thierry Brousse
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie des matériaux
• Date : Soutenance en 2015
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matériaux, Matières, Molécules en Pays de la Loire (3MPL) (Le Mans2008-2021)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Matériaux Jean Rouxel (Nantes)
• Jury : Président / Présidente : Jannick Duchet-Rumeau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean Le Bideau, Thierry Brousse, Jannick Duchet-Rumeau, Saïd Sadki, Frédéric Favier
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Saïd Sadki, Frédéric Favier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanofils

Liquides ioniques

Supercondensateurs

Mots clés libres

Ionogel

Résumé

L’augmentation croissante du nombre d’appareils électroniques portables nécessite de sécuriser et de miniaturiser le stockage de l’énergie. Cela passe par la conception de micro-sources telles que des microsupercondensateurs qui requièrent l’emploi d’électrolytes solides stables chimiquement et en température. Ces dispositifs doivent être capables de subir les procédés d’assemblage effectués en électronique tel que le procédé de refusion. Il comprend une courte montée en température à 250 °C pour le brasage simultané des composants sur une carte. Les électrolytes solides actuels souffrent d’une faible conductivité et les électrolytes liquides (organiques et aqueux) ne peuvent pas supporter des températures de cet ordre. Cette thèse présente l’optimisation de ionogels, ou liquides ioniques confinés, pour une utilisation comme électrolyte solide de microsupercondensateurs à électrodes de silicium nanostructurées. Un ionogel à matrice silicique, synthétisé par voie sol-gel, a été spécifiquement développé pour de tels dispositifs. Des mesures de conductivité et de température de dégradation, ainsi que d’autres caractérisations, ont permis de mieux comprendre son comportement et d’optmiser sa formulation et sa mise en forme. Ceci a autorisé le dépôt du ionogel sur les électrodes en silicium sans endommager les nanostructures. Des dispositifs tout solides ont été assemblés en configuration symétrique. Leurs propriétés ont été comparées à celles obtenues avec le liquide ionique non confiné. Ces microsupercondensateurs peuvent supporter la refusion à 250 °C sans baisse de performance ou de stabilité. Le ionogel a été transposé sur des électrodes carbonées.

The increasing number of portable electronic devices requires to secure and miniaturize energy storage. Thus, energy storage micro-sources are required, such as micro-supercapacitors, implying the use of chemically and thermally stable solid electrolytes. These devices must be compatible with solder assembly processes such as solder reflow. It includes a short increase of temperature up to 250 °C to solder all components on an electronic card at once. Current solid electrolytes suffer from low conductivity and liquid electrolytes (organic and aqueous) cannot bear temperatures of this order. This work shows the optimization of ionogels, or confined ionic liquids, in order to use them as solid electrolytes in microsupercapacitors with nanostructured silicon electrodes. An ionogel with silica based matrix, synthesized via solgel route, was specifically developed for such devices. Ionic conductivity and degradation temperature measurements, as well as other characterizations, were carried out in order to better understand ionogel’s behavior and to optimize its formulation and shaping. This allowed its deposition onto nanostructured silicon electrodes without damages. All solid-state symmetric devices were assembled. Their properties were compared to those obtained with non confined ionic liquid. The micro-supercapacitors can bear the solder reflow at 250 °C without decreasing their performance or stability. The ionogel was also transposed onto carbon based electrodes.