Préparation de sulfures multimétalliques pour supercondensateurs électrochimiques

Prepartion of multi-metal sulfides for electrochemical supercapacitors

• Auteur / Autrice : Yuan Zhang
• Direction : Rabah Boukherroub, Sabine Szunerits
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, microélectronique, nanoélectronique et micro-ondes
• Date : Soutenance le 02/07/2020
• Etablissement(s) : Université de Lille (2018-2021)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie

Mots clés

Mots clés contrôlés

Métaux de transition -- Composés

Sulfures métalliques

Matériaux

Électrodes

Énergie -- Stockage

Supercondensateurs

Condensateurs électrochimiques

Mots clés libres

Oxyhydroxydes

Electrochemical supercapacitors

Résumé

Ces dernières années, les supercondensateurs électrochimiques (SE), en tant que systèmes de stockage d'énergie respectueux de l'environnement, sont confrontés à plusieurs défis liés aux performances, à la fonctionnalité et à la durabilité des matériaux clés. Parmi les différents types de supercondensateurs électrochimiques, les supercondensateurs hybrides combinent des électrodes avec différents mécanismes de stockage. En particulier, la combinaison d’électrodes à double couche (EDLC) et de type batterie devrait offrir une performance électrochimique améliorée. En ce qui concerne les supercondensateurs hybrides à comportement EDLC // type batterie, il a été largement reconnu que les matériaux en carbone, en raison de leur excellente conductivité électrique, de leur stabilité électrochimique et de leur grande surface spécifique, sont les candidats les plus prometteurs pour les matériaux d'électrode avec un comportement de type EDLC. En ce qui concerne les matériaux d'électrodes ayant un comportement de type batterie, il a été prouvé qu'en raison des réactions de transfert de charge faradiques impliquées dans le processus électrochimique, les matériaux à base de métaux de transition ont la capacité de stocker beaucoup de l'énergie et sont des candidats prometteurs pour les matériaux d'électrodes avec un comportement de type batterie. Dans cette thèse, différents matériaux d'électrodes en carbone, tels que l'oxyde de graphène réduit (rGO), l'oxyde de graphène réduit poreux (PrGO) et le polyéthylène-dioxythiophène-Fe-900 (PF-9), ont été préparés par une méthode d'oxydation et de réduction chimiques. De plus, des matériaux d'électrodes composés de métaux de transition, tels que CoS / support carboné (rGO ou PF-9), ZnCoS, ZnS / Ni3S2 et Sb2S3 / CoS2 / CrOOH ont été synthétisés par co-précipitation chimique et méthode d'échange d'ions. Une variété de techniques différentes (MES, MET, DRX, XPS, ICP-AES, BET, Raman) ont été utilisées pour caractériser les propriétés physico-chimiques des matériaux d'électrodes ainsi préparés. Leur performance électrochimique est également évaluée dans une cellule à 3 électrodes. Enfin, des supercondensateurs hybrides ont été assemblés et leur performance électrochimique a été évaluée dans un système à deux électrodes.

In recent years, electrochemical supercapacitors (ESs), as environmentally-friendly energy storage systems, are facing several challenges associated with the performance, functionality, and durability of key materials. Among different types of ESs, hybrid supercapacitors, the combination of electrodes with different energy storage mechanisms, especially the combination of electrochemical double layer capacitance (EDLC) and battery-type behavior, are expected to offer enhanced electrochemical performance. Concerning hybrid supercapacitors consisting of EDLC//battery-type electrode materials, carbonaceous materials, owing to their excellent electrical conductivity, electrochemical stability, and large specific surface area, are the most promising candidates for electrode materials with EDLC-type behavior. For electrode materials with battery-type behavior, owing to the faradaic charge transfer reactions involved in the electrochemical process, transition metal compounds can store plenty of energy and represent one of the most promising candidates for electrode materials with battery-type behavior. In this thesis, different carbonaceous materials, such as reduced graphene oxide (rGO), porous reduced graphene oxide (PrGO), and poly-ethylene dioxythiophene-Fe-900 (PF-9), are prepared through chemical oxidation and reduction methods. Moreover, transition metal compounds, such as CoS/carbonaceous support (rGO or PF-9), ZnCoS, ZnS/Ni3S2 and Sb2S3/CoS2/CrOOH, are synthesized via chemical co-precipitation and ion-exchange method. A variety of different techniques, including XPS, SEM, ICP-AES, TEM, XRD, BET, and Raman, are used to investigate the physicochemical performance of as-prepared materials. Their corresponding electrochemical performance is also evaluated through a 3- electrode system. Additionally, hybrid supercapacitors consisting of as-prepared carbon and transition metal electrodes are assembled, respectively, and their electrochemical performance is evaluated through the 2- electrode system.