Chemical engineering of 2D materials for electrochemical energy storage

Ingénierie chimique des matériaux 2D pour le stockage de l'énergie électrochimique

• Auteur / Autrice : Yachao Zhu
• Direction : Patrice Simon, Frédéric Favier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la matière
• Date : Soutenance le 16/11/2020
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Inter-universitaire de Recherche et d’Ingénierie des Matériaux (Toulouse ; 1999-....)
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Mathieu Morcrette, Sophie Cassaignon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Stockage d'énergie électrochimique assisté par flux

Chimie

Composites

Mots clés libres

Supercondensateurs

Matériaux 2D

Matériaux composites

Exfoliation

MXene

Supercapacitors

2D materials

Material composites

Exfoliation

MXene

Résumé

L'attractivité des supercondensateur réside dans leur complémentarité avec les batteries, en particulier en termes de durée de vie et de puissance. Leur densité d'énergie plus faible reste un inconvénient qui peut être dépassé en travaillant sur les matériaux d'électrode. Au cours e cette thèse, divers matériaux 2D ont permis la formulation d'électrodes présentant de meilleures densités d'énergie. L'intercalation de Cu2+ dans delta-MnO2 par une méthode hydrothermale a conduit à une amélioration fdes performances. Des effets synergiques ont été observés dans des composites à base de MnO2 et Ti3C2-MXene. Ils ont été attribués à l'amélioration de la conductivité électronique apportée par le composant MXene. Pour éviter le ré- empilement des Mxenes exfoliés, des méthodes de templating ont conduit à des matériaux expansés et des mousses. Une couche de MXene à la surface de fibres de carbone modifiée par physisorption de molécules rédox-actives a augmenté fortement la cyclabilité de l'électrode.

Supercapacitors attractiveness lies in their complementarity with batteries, especially in terms of expended lifespan and greater power density. Their lower energy density however remains a drawback and the electrode material design and composition play a crucial role to address it. During this thesis work, various 2D materials were used to fabricate electrodes with enhanced energy densities. An hydrothermal method was explored using delta-MnO2 for Cu2+ intercalation leading to performance improvement. Attractive synergistic effects were evidenced in composite materials based on 2D pseudocapacitive MnO2 and Ti3C2-MXene. They have been assigned to electronic conductivity improvement from MXene component. To prevent the restacking of exfoliated MXene, template-assisted syntheses led to expanded MXene and foam. An MXene coating was deposited at the surface of carbon fibers modified by physisorbed redox-active organic salts, promoting efficient charge storage and stabilizing the assemble.