Micro-supercondensateurs 3D tout-solide à base de dioxyde de manganèse et d'électrolyte ionogel

All-solid 3D micro-supercapacitors based on manganese dioxide and ionogel electrolyte

• Auteur / Autrice : Thibaud Guillemin
• Direction : Jean Le Bideau, Thierry Brousse
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science des matériaux
• Date : Soutenance le 25/01/2022
• Etablissement(s) : Nantes Université
• 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 : Luis Miguel Varela Cabo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fannie Alloin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pierre-Louis Taberna, Liliane Demourgues-Guerlou

Mots clés

Mots clés contrôlés

Condensateurs électriques

Mots clés libres

Ionogel

MnO2

Pseudocapacité

Micro-supercondensateur

Tout-solide

Micro-Supercapacitor

All-Solid

Ionogel

MnO2

Pseudocapacitance

Résumé

Les micro-supercondensateurs sont des dispositifs de stockage électrochimique de l’énergie conçus pour être utilisés dans l'électronique portable, les capteurs et l'Internet des Objets. Ces dispositifs ont une grande durée de vie et une forte densité de puissance. Cependant, pour répondre à des besoins d’autonomie et de fiabilité, leur densité d’énergie doit être améliorée et un électrolyte solide doit être utilisé. Ce travail est axé sur ces deux problématiques qui sont étudiées conjointement via la caractérisation de micro-supercondensateurs complets. L’emploi simultané d’électrodes 3D obtenues par la micro-gravure d’un substrat de silicium et de MnO2, un matériau pseudocapacitif (un matériau présentant des réactions faradiques assimilable à des réactions capacitives) permettent notamment d’améliorer la densité d’énergie des dispositifs. Les ionogels (liquides ioniques confinés) sont des matériaux solides qui présentent des caractéristiques de mobilité ionique proche de celles d’un liquide. Ils sont utilisés dans ce travail comme électrolyte solide avec les électrodes 3D pseudocapacitives à base de MnO2. L’ajout d’ions alcalins Li+ et Na+ dans les liquides ioniques et les ionogels modifie leurs propriétés de conductivité ionique et leurs organisations moléculaires. La présence de ces ions impacte positivement les réactions redox au niveau des électrodes de MnO2 et améliore les performances des micro-supercondensateurs. Enfin, les interactions entre l’électrolyte et les électrodes de MnO2 sont caractérisées par deux méthodes de spectroscopie operando. Les réactions redox du MnO2 et leur influence sur les performances des micro-supercondensateurs sont étudiés en fonction de la nature de l’électrolyte.

Micro-supercapacitors are electrochemical energy storage devices designed to be used in portable electronics, sensors and the Internet of Things. These devices have a long lifespan and a high power density. However, to meet the needs of autonomy and reliability, their energy density must be improved and a solid electrolyte must be used. This work is focused on these two issues which are studied jointly through the characterization of complete micro-supercapacitors. The simultaneous use of 3D electrodes, obtained by the micro-etching of a silicon substrate, and of MnO2, a pseudocapacitive material (a material exhibiting faradic reactions comparable to capacitive reactions) makes it possible to improve the energy density devices. Ionogels (confined ionic liquids) are solid materials that exhibit ionic mobility characteristics close to those of a liquid. They are used in this work as solid electrolyte with the pseudocapacitive 3D electrodes based on MnO2. The addition of Li+ and Na+ alkaline ions in ionic liquids and ionogels changes their ionic conductivity properties and molecular organizations. The presence of these ions positively impacts the redox reactions of the MnO2 electrodes and improves the performance of the micro-supercapacitors. Finally, the interactions between the electrolyte and the MnO2 electrodes are characterized by two operando spectroscopy methods. The redox reactions of MnO2 and their impact on the performance of micro-supercapacitors are studied according to the nature of the electrolyte.