Étude et analyse des propriétés fondamentales du dititanate de rubidium Rb2Ti2O5 pour des applications de stockage d’énergie

Study and analysis of the fundamental properties of rubidium dititanate for energy storage applications

• Auteur / Autrice : Sofia de Sousa Coutinho
• Direction : Brigitte Leridon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 02/02/2021
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique et d’étude des matériaux (Paris ; 2010-....)
• Jury : Président / Présidente : Andrea Gauzzi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Étienne Janod, Paola Giura
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gilbert Teyssedre, Alain Sylvestre

Mots clés

Mots clés contrôlés

Supercondensateurs

Résonance magnétique nucléaire

Conduction ionique

Memristors

Mots clés libres

Dititanate de rubidium

Électrolyte solide

Permittivité relative équivalente colossale

Cathode virtuelle

Mécanisme de Grotthuss

Supercondensateur

Rubidium dititanate

Solid electrolyte

Colossal equivalent relative permittivity

Virtual cathode

Grotthuss mechanism

Supercapacitor

Résumé

Un système memristif est un composant dont la valeur de la résistance est fonction de tout l’historique électrique, soit des charges ou du flux qui l’a traversé. Cette propriété peut être employée pour le stockage de l’information et dans certaines conditions de l’énergie. Or, le dititanate de rubidium (RTO) présente des propriétés memristives et de stockage intrinsèques. Cette thèse a pour objet l’étude et l’analyse des propriétés fondamentales du RTO pour des applications de stockage d’énergie. L’étude fondamentale a été conduite par l’intermédiaire d’expériences de résonance magnétique nucléaire, de spectroscopie d’impédance ou encore de distribution de charge. Elle a permis la mise en évidence de propriétés intrinsèques telles que l’accumulation d’espèces ioniques négatives à l’interface anodique associée à l’existence d’une cathode virtuelle et le rôle fondamental de l’eau dans les propriétés remarquables du RTO. Ces résultats expérimentaux, associés à une étude théorique, ont permis d’aboutir à un modèle microscopique de dissociation de l’eau et de conduction des espèces mobiles au sein du RTO via un mécanisme de Grotthuss. Des dispositifs analogues à des supercondensateurs pour le stockage de l’énergie électrique ont été réalisés et caractérisés. Les résultats obtenus confirment l’intérêt du RTO pour ce genre d’application avec de nombreuses pistes d’améliorations possibles.

A so-called memristive system is a component whose resistance value is a function of all the electrical history, which is to say of all the charges or the flow that has passed through it. This property is likely to be used for information storage and under certain conditions for energy storage. However, rubidium dititanate (RTO) has intrinsic memristive and storage properties. The purpose of this thesis is to study and analyze the fundamental properties of RTO for energy storage applications. The fundamental study was carried out through nuclear magnetic resonance experiments, impedance spectroscopy or even charge distribution. It has allowed the demonstration of intrinsic properties such as the accumulation of negative ionic species at the anodic interface associated with the existence of a virtual cathode and the fundamental role of water in the remarkable properties of RTO. These experimental results, combined with a theoretical study, led to a microscopic model of water dissociation and conduction of mobile species within the RTO via a Grotthuss-type mechanism. Supercapacitor-like devices for electrical energy storage were then developed and characterized. The results obtained confirm the interest of RTO for this type of application with many possible avenues for improvement.