Nouveaux matériaux d'électrodes négatives de supercondensateur hybride en milieu aqueux

New negative electrode materials for hybrid supercapacitors operating in aqueous media

• Auteur / Autrice : Anne-Lise Brisse
• Direction : Thierry Brousse, Olivier Crosnier, Philippe Stevens
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 29/11/2018
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matériaux, Matières, Molécules en Pays de la Loire (3MPL) (Le Mans ; 2008-2021)
• Partenaire(s) de recherche : COMUE : Université Bretagne Loire (2016-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Matériaux Jean Rouxel (Nantes)
• Jury : Président / Présidente : Christine Taviot-Gueho
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Favier, Liliane Demourgues-Guerlou, Jesús Santos Peña

Mots clés

Mots clés contrôlés

Metal-organic frameworks

Oxydes de cuivre

Stockage d'énergie électrochimique assisté par flux

Mots clés libres

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Résumé

Ces travaux de thèse se sont focalisés sur la synthèse et le dimensionnement de nouveaux matériaux d'électrodes négatives pour des supercondensateurs hybrides fonctionnant en électrolyte aqueux. Ces nouveaux systèmes de stockage se situent entre une batterie et un supercondensateur. Ils doivent présenter des énergies spécifiques de l’ordre la dizaine de Wh.kgˉ¹, une durée de vie de plusieurs dizaines de milliers de cycles tout en étant capable de répondre à des appels de puissance pour, par exemple, le réglage de fréquence du réseau électrique. La combinaison de matériaux d'électrode stockant les charges de façon faradique et capacitive présente une réponse adaptée à ces objectifs. Les démarches exploratoires mises en oeuvre pour la conception de ces électrodes sont décrites en détail dans cette thèse. Elles font appel à l'association de matériaux carbonés avec un oxyde de cuivre (Cu²O), ou à des molécules électroactives confinées dans une matrice hydroxyde double lamellaire (HDL), ou dans une matrice de type metal organic frameworks (MOF). Il a été mis en évidence que l’immobilisation de molécules électroactives dans des matrices HDL ou MOF est une stratégie prometteuse en termes d'augmentation de la densité d'énergie sans altérer notablement la densité de puissance. La principale limitation de ces stratégies reste la stabilité en cyclage des matériaux faradiques utilisés dans les réactions d’oxydoréductions qui restent un élément limitant pour la cyclabilité des électrodes de supercondensateur hybride. Ces travaux ouvrent cependant la voie à une multitude de matrices possibles à combiner à différentes molécules électroactives.

The studies presented in this thesis are focused on the synthesis and sizing of new negative electrode materials for aqueous hybrid supercapacitors. These novel devices with energy densities in the tens of Wh.kgˉ¹ and a lifetime several tens of thousands of cycles should be capable of enduring high power pulses required for applications such as frequency regulation on the electrical grid, in particular when used in conjunction with intermittent energy sources. Combining electrode materials which store charge via both faradaic and capacitive mechanisms is an appropriate way of meeting these objectives. Exploratory approaches to conceive such electrodes are described in detail in this manuscript. They involve associating graphene with a copper oxide (Cu²O), or electroactives molecules confined in a layered double hydroxide (LDH) matrix or a metal organic frameworks (MOF). The results bring out the advantages of immobilising electroactive molecules in LDH or MOF matrixes which enables an increase of the energy density without compromising too much the power density. The main limitation of these strategies is the stability during cycling of the redox material which is critical for the cyclability of bimaterials as hybrid supercapacitor electrodes. These studies pave the way to a multitude of possible matrixes to be combined with different electroactive molecules.