Développement d’électrodes utilisant un PCE déposé sur VACNT/Al selon un procédé continu et leur utilisation dans des pseudosupercondensateurs

Development of electrodes using ECP deposited onto VACNT/Al by continuous process and their use in pseudosupercapacitors

• Auteur / Autrice : Thomas Vignal
• Direction : Pierre-Henri Aubert
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie - Cergy
• Date : Soutenance le 26/02/2019
• Etablissement(s) : Cergy-Pontoise
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie (Cergy-Pontoise, Val d'Oise)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physico-chimie des polymères et des interfaces (Cergy-Pontoise, Val d'Oise ; 1998-....)
• Jury : Président / Présidente : Fabien Miomandre
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre-Henri Aubert, Pierre-Louis Taberna, Jean-Claude Leprêtre, Philippe Banet, Alain Pailleret
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pierre-Louis Taberna, Jean-Claude Leprêtre

Mots clés

Mots clés libres

Supercondensateur

Stockage électrochimique

Polymère conducteur

Nanotubes de carbone

Procédé continu

Supercapacitor

Electrochemical storage

Conducting polymer

Carbon nanotubes

Continuous process

Résumé

Les travaux réalisés ont porté sur l’élaboration d’électrodes composites à base de polymère conducteur électronique déposé électrochimiquement sur des tapis de nanotubes de carbone verticalement alignés sur substrat d’aluminium (VACNT/Al). Ces nouveaux tapis VACNT/Al ont une densité de nanotube très élevée (10^11 - 10^12 CNT/cm²) et proposent une architecture nanométrique très intéressante pour l’élaboration d’électrode dans des dispositifs de stockage d’énergie de type supercondensateur. Le dépôt de polymère sur ces électrodes permet d’augmenter l’énergie spécifique des supercondensateurs. De plus, ces travaux ont aussi été dédiés à l’élaboration d’un procédé de dépôt en continu en vue d’une montée en échelle des synthèses du composite. Dans une première partie, les matériaux utilisés dans les électrodes composites ont été caractérisés individuellement. Ainsi, des dépôts en milieu liquide ionique des polymères poly(3-méthylthiophène) (P3MT) et polypyrrole (PPy) à la surface d’électrodes planes ont été réalisés et, des tapis VACNT ont été caractérisés. La deuxième partie de ce travail a été consacrée à l’optimisation de la synthèse électrochimique par une méthode chronoampérométrique pulsée en milieu liquide ionique.de nanocomposites P3MT/VACNT/Al avec des proportions massiques de P3MT dans l’électrode variant de 10 à 90 %. Ces composites ont par la suite été utilisés en tant qu’électrodes dans des supercondensateurs symétrique et asymétrique sous forme de pile-bouton permettant des énergies et puissances spécifiques de 52 Wh/kg et 12 kW/kg, respectivement. Dans la troisième partie, un procédé de dépôts du P3MT sur un tapis en mouvement a été mis au point pour étudier l’élaboration en continu d’électrodes composites et permettre la préparation d’électrodes de plus grande dimension, 80 cm² dans cette étude. Ces composites ont montré des capacitances spécifiques équivalentes aux composites obtenus avec des dépôts statiques. De plus, les bandes de 80 cm2 ont été utilisées pour la réalisation de supercondensateurs de type zig-zag symétrique et asymétrique et ont aussi montré des énergies et puissance spécifiques très similaire à celles des piles bouton. Dans une dernière partie, un transfert de méthode a été réalisé pour la synthèse de composite PPy/VACNT, en statique puis en procédé continu.

The work carried out focused on the development of composite electrodes by electrochemically deposition of conductive polymer onto carbon nanotube vertically aligned on aluminum substrate (VACNT/Al). These new VACNT / Al have a very high nanotube density (10^11 - 10^12 CNT/cm²) and offer a very interesting nanometric architecture for the elaboration of electrodes in energy storage devices as supercapacitor. The deposition of polymer on these electrodes allows the increase of the supercapacitors’ specific energies. In addition, this work has also been dedicated to the development of a continuous deposition process for scaling syntheses of the composite. In a first part, the materials used in the composite electrodes have been characterized individually. Thus, ionic liquid medium deposits of poly (3-methylthiophene) (P3MT) and polypyrrole (PPy) polymers at the surface of planar electrodes were made and VACNT were characterized. The second part of this work was devoted to the optimization of electrochemical synthesis by a pulsed chronoamperometric method in ionic liquid medium. P3MT/VACNT/Al nanocomposites with mass proportions of P3MT in the electrode ranging from 10 to 90%. These composites have subsequently been used as electrodes in symmetric and asymmetric supercapacitors in coin-cell devices allowing specifics energies and powers of 52 Wh/kg and 12 kW/kg, respectively. In the third part, a P3MT deposition process onto moving VACNT was developed to study the continuous elaboration of composite electrodes and to allow the preparation of larger electrodes, 80 cm² in this study. These composites showed specific capacitances equivalent to the composites obtained with static deposits. In addition, the 80 cm2 strips were used for the realization of symmetric and asymmetric zig-zag supercapacitors and also showed specific energies and power very similar to those of coin-cells. In a last part, a transfer of method was realized for the synthesis of composite PPy / VACNT, in static then continuous process.