Multicationic tungsten-based oxides as electrode materials for fast energy storage devices

Oxydes multicationiques à base de tungstène comme matériaux d'électrode pour les dispositifs de stockage d'énergie à haute puissance

• Auteur / Autrice : Julio César Espinosa-Angeles
• Direction : Thierry Brousse, Éric Quarez, Olivier Crosnier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 08/12/2021
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matière, Molécules Matériaux et Géosciences (Le Mans)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Matériaux Jean Rouxel (Nantes)
• Jury : Président / Présidente : Patrice Simon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christel Laberty-Robert, Francesca Soavi
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Laurence Croguennec, Christel Laberty-Robert

Mots clés

Mots clés contrôlés

Condensateurs électrochimiques

Mots clés libres

Oxydes pseudocapacitifs

Tungstate de fer

Bronze de tungstène hexagonal

Résumé

Les condensateurs électrochimiques sont des dispositifs de stockage de l'énergie caractérisés par une capacité de puissance élevée. Leurs performances dépendent principalement des propriétés physico- chimiques et de la structure cristallographique de leurs matériaux d'électrode. Un fort intérêt pour les matériaux à base d'oxydes présentant un comportement pseudo-capacitif a récemment émergé en raison de leur densité d'énergie potentiellement plus élevée que les matériaux à base de carbone activé utilisés dans les dispositifs commerciaux. De plus, il est nécessaire de rapprocher les performances entre les condensateurs électrochimiques et les batteries afin d’obtenir des dispositifs possédant à la fois des densités de puissance et d'énergie élevées. Cette thèse visait à étudier différents oxydes multicationiques à base de tungstène en tant que potentiels matériaux d'électrode négative pour des dispositifs de stockage d'énergie rapides, tels que Fe2WO6 et des bronzes de tungstène hexagonaux, AxWO3 (A = Li+, Na+ et K+). Leur synthèse, leur caractérisation structurale et leurs propriétés électrochimiques ont été étudiées, en utilisant des techniques originales telles que l'EQCM ou du XAS en conditions operando afin de mieux comprendre les mécanismes de stockage de charges se produisant dans ces composés, combinant des concepts de chimie du solide et d'électrochimie

Electrochemical capacitors are energy storage devices characterized by a high power ability. Their performance depends mainly on the physical, chemical properties and crystallographic structure of their electrode materials. The interest in oxide-based materials exhibiting a pseudocapacitive behavior has recently increased due to their possible high energy density compared to standard carbon- based materials used in commercial devices. Additionally, the gap between electrochemical capacitors and batteries needs to be reduced in order to reach high-rate devices delivering both high power and energy densities. This thesis aimed to investigate different multicationic tungsten-based oxides as potential electrode materials for fast energy storage devices, such as Fe2WO6 and hexagonal tungsten bronzes, AxWO3 (A=Li+, Na+ and K+). Their synthesis, structural characterization and electrochemical properties were investigated, using original techniques such as EQCM and synchrotron operando XAS in order to fully understand the charge storage mechanism occurring in these compounds, combining solid state chemistry and electrochemistry concepts