Etude par résonance magnétique nucléaire du transfert des ions lors de la charge et la décharge de supercondensateurs

Nuclear magnetic resonance study of ions transfer during the charge and discharge of supercapacitors

• Auteur / Autrice : Ghenima Oukali
• Direction : Michaël Deschamps
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 16/04/2019
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Conditions extrêmes et matériaux : haute température et irradiation (Orléans ; 2008-...)
• Jury : Président / Présidente : Patrice Simon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michaël Deschamps, Patrice Simon, Christian Bonhomme, Fannie Alloin, Encarnación Raymundo-Pinero, Fouad Ghamouss, Philippe Azaïs, Elodie Salager
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Christian Bonhomme, Fannie Alloin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Imagerie par résonance magnétique

Transfert de charge

Énergie -- Stockage

Supercondensateurs

Mots clés libres

Résonance magnétique nucléaire

Supercondensateur

IRM

Mesures in situ

Stockage électrochimique de l’énergie

Imagerie par résonance magnétique nucléaire

Nuclear magnetic resonance

Supercapacitor

MRI

In situ measurements

Electrochemical energy storage

Nuclear magnetic imaging

Résumé

Les supercondensateurs (condensateurs à double couche électrochimique) sont de puissants dispositifs de stockage d'énergie. Le véritable défi pour le développement des supercondensateurs à plus grande échelle consiste à augmenter la densité d'énergie stockée. La compréhension complète des processus qui contribuent au mécanisme de charge à l’échelle moléculaire est essentielle afin de pouvoir optimiser les performances de ces supercondensateurs. Nous utilisons la résonance magnétique nucléaire (RMN), qui est une technique sensible à l’environnement des atomes, pour l’étude des mécanismes de charge dans les supercondensateurs. Les mesures in situ sont essentielles pour suivre le déplacement des ions de l’électrolyte pendant la charge et la décharge, mais la spectroscopie standard offre peu d’information à cause de la superposition des signaux des ions dans les deux électrodes du supercondensateur. Nous avons démontré que les modifications de configuration des électrodes proposées dans la littérature dégradent les performances électrochimiques des supercondensateurs, et nous avons développé un nouvel outil d’étude in situ de supercondensateurs avec une configuration réaliste. L’imagerie par résonance magnétique nucléaire (IRM) permet de séparer les signaux des ions dans chaque électrode du supercondensateur, placé dans une cellule électrochimique spécialement conçue pour les mesures de RMN. Le mécanisme de stockage de charge dans des supercondensateurs à base de carbone a été déterminé et l'effet de plusieurs paramètres sur ce mécanisme, tels que la distribution de la taille des pores et la concentration en électrolyte, a été étudié.

Supercapacitors (Electrochemical Double Layer Capacitors) are powerful energy storage devices. The actual challenge for the development of supercapacitors on a larger scale is to increase the stored energy density.The full understanding of the molecular processes that contribute to the charging mechanism is essential to overcome the current limits. We use Nuclear Magnetic Resonance (NMR), a technique that is sensitive to the local environment of the atoms, to study the charge mechanisms in supercapacitors. In situ measurements are essential to follow the ionic movements in the electrolyte during the charge and discharge, but regular spectroscopy offers little insight due to the overlap of the signals of the ions in both electrodes of the supercapacitor. We demonstrated that the electrode design modifications proposed in the literature degrade the electrochemical performances of supercapacitors, and we developed a new tool for the in situ study of supercapacitors with a realistic configuration. Nuclear magnetic imaging (MRI) allows for the segregation of the signals of ions in each electrode of a supercapacitor, placed in an electrochemical cell especially designed for NMR measurements. The charge storage mechanism in carbon-based supercapacitors was determined and the effect of various parameters on this mechanism, such as pore size distribution and electrolyte concentration, were investigated.