Liquid carbon dispersions for energy applications

• Auteur / Autrice : Marco Salvatore Alfonso
• Direction : Philippe Poulin, Annie Colin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie physique
• Date : Soutenance le 23/11/2018
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences chimiques (Talence, Gironde ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de Recherche Paul Pascal (Pessac ; 1963-....)
• Jury : Président / Présidente : Alan Dalton
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Annie Colin, Alan Dalton, Vincent Jourdain, Giusy Scalia, Jinkai Yuan
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alan Dalton, Vincent Jourdain

Mots clés

Mots clés contrôlés

Permittivité

Stockage d'énergie électrochimique assisté par flux

Électrodes de carbone

Noir de carbone

Cristaux liquides

Oxyde de graphène

Mots clés libres

Oxyde de graphène

Spectroscopie diélectrique

Permittivité

Constante diélectrique

Cristaux liquides

Noir de carbone

Électrodes de carbone fluides percolées

Stockage d'énergie électrochimique à flux assisté

Supercapacité en flux

Graphene oxide

Dielectric spectroscopy

Permittivity

Dielectric constant

Liquid crystals

Carbon black

Percolated flowable carbon electrodes

Flow-assisted electrochemical energy storage

Electrochemical flow capacitors

Résumé

L'objectif de ce travail est de développer et d’étudier une nouvelle classe de fluidesintelligents à base de dispersions colloïdales de carbone, sensibles à un stimulus externe pour desapplications de conversion et stockage d’énergie. Ces stimuli sont de différentes natures : vibrationmécanique, mouvement humain, variation de pression ou écoulement d'un solvant, et peuventaltérer les structures de tels systèmes. Ceci induit une modification de la structure locale desparticules et par conséquent des propriétés diélectriques et électriques. Habituellement, lessuspensions de matériaux carbonés sont étudiées au repos ou séchées. Toutefois, comprendre leurcomportement en flux est essentiel pour de nouvelles applications où ces matériaux sont exploitésdans des conditions dynamiques telle que le stockage d'énergie électrochimique assisté par flux(FAES). Par exemple, les matériaux à base de graphène jouent désormais un rôle important dans lesnouvelles technologies énergétiques. Ils sont utilisés comme additifs conducteurs dans lesassemblages d'électrodes, mais en raison de leur forme anisotrope spécifique, ils permettentégalement d’obtenir des fluides diélectriques sous écoulement.Les cristaux liquides d'oxyde de graphène, en tant que matériau souple électrostrictif, sont étudiéspour la récupération d'énergie mécanique, ainsi que des dispersions de noir de carbone pour lestockage d'énergie.Les propriétés diélectriques et électriques de ces dispersions fluides dans des conditions statiques etdynamiques sont mesurées et analysées. Enfin, l’effet de l’écoulement sur l’orientation et laréorganisation locale des particules et leur comportement diélectrique et électrique sont examinés.

The aim of this work is to develop and study a new class of smart fluids made of colloidalcarbon-based dispersions, which are sensitive to an external stimulus for energy storage orconversion applications. The effect of an external input, such as mechanical vibration, humanmotion, variable pressure, flowing of a solvent, can alter the structures of such systems.Consequently these changes induce modifications of the dielectric and electrical properties. Usually,the suspensions of carbon materials are investigated at rest or dried. However, their flow behavior iscritical when new technologies, which exploit these materials in dynamic conditions such as FAES(Flow-Assisted Electrochemical Energy Storage) are considered. For example, graphene-basedmaterials are now playing a significant role in energy materials. They act as conductive additives inelectrode assemblies, but due to their specific anisotropic shape they also provide a new route toachieve dielectric liquid media.In details, Graphene Oxide liquid crystals as electrostrictive soft material for mechanical energyharvesting and Carbon black dispersions as percolated flowable electrodes for capacitive energystorage are investigated.In particular, the dielectric and electrical properties of these flowable dispersions are studied understatic and dynamic conditions. The effect of the flow-rate on the local orientation and reorganizationof the particles and their related dielectric and electrical behavior are examined.