Développement de nouveaux électrolytes liquides ioniques pour microsupercondensateurs à base d'oxydes métalliques

Development of novel ionic liquid electrolytes for metal-oxide based microsupercapacitors

• Auteur / Autrice : Jensheer Shamsudeen Seenath
• Direction : David Pech, Dominic Rochefort
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et génie des matériaux
• Date : Soutenance le 16/06/2023
• Etablissement(s) : Toulouse 3 en cotutelle avec Université de Montréal (1978-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes (Toulouse ; 1968-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean Le Bideau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : David Pech, Dominic Rochefort, Saïd Sadki, Meriem Anouti-Benaichouche, Ana Tavares, Patrice Simon, Daniel Guay
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Saïd Sadki, Meriem Anouti-Benaichouche

Mots clés

Mots clés contrôlés

Oxydes métalliques

Dépôt électrolytique

Microélectronique

Supercondensateurs

Mots clés libres

Électrodéposition

Liquide ionique

Microsupercondensateurs

Oxyde métallique

Pseudocapacité

Densité d'énergie

Metal-oxide

Microsupercapacitors

Ionic liquid

Electrodeposition

Pseudocapacitance

Energy density

Résumé

Avec le développement des systèmes électroniques embarqués se pose la question de la miniaturisation des dispositifs de stockage d'énergie. De nos jours, cette fonction est principalement assurée par des micro-batteries. Ces composants possèdent cependant une faible puissance disponible, une durée de vie limitée et un domaine de fonctionnement en température restreint. Les "micro-supercondensateurs" sur puce permettraient de s'affranchir de ces limitations, mais ils ne sont aujourd'hui qu'au stade de la recherche universitaire avec des densités d'énergie bien inférieures à celles des micro-batteries. L'énergie et la puissance stockées dans un supercondensateur sont proportionnelles au carré de la fenêtre de potentiel, qui dépend elle-même de la stabilité électrochimique de l'électrolyte utilisé. L'électrolyte joue ainsi un rôle prépondérant sur les propriétés des supercondensateurs (tension, gamme de température, courant de fuite, durée de vie...). Cette thèse vise à développer des liquides ioniques protiques et aprotiques dédiés aux micro-supercondensateurs pseudocapacitifs à base d'oxydes métalliques (RuO2, MnO2). Les électrolytes à base de liquides ioniques présentent des propriétés intéressantes, notamment une faible pression de vapeur saturante, une stabilité aux hautes températures, ainsi qu'une large fenêtre de potentiel. Ils contribuent ainsi à améliorer la densité d'énergie surfaciques, principal problème rencontré par les micro-supercondensateurs actuels. Les liquides ioniques étudiés ont été conçus sur la base de leurs structures et leurs propriétés physico-chimiques. Des caractérisations électrochimiques ont été réalisées avec des micro-supercondensateurs à base d'oxyde de ruthénium et d'oxyde de manganèse. De très bonnes performances ont été obtenus en utilisant des collecteurs de courant poreux à grande surface spécifique. Les électrolytes liquides constituant cependant un verrou technologique à la réalisation de micro-supercondensateurs fonctionnels compatible avec les procédés de microfabrication, des ionogels composés d'une matrice solide dans laquelle a été confinée le liquide ionique ont également été réalisés.

With the development of embedded electronic systems, the question of the miniaturization of energy storage devices arises. Nowadays, this function is mainly ensured by micro-batteries. However, these components have low available power, a limited lifetime and a restricted temperature operating range. On-chip "micro-supercapacitors" would make it possible to overcome these limitations, but they are currently only at the university research stage with energy densities much lower than those of micro-batteries. The energy and power stored in a supercapacitor are proportional to the square of the potential window, which itself depends on the electrochemical stability of the electrolyte used. The electrolyte thus plays a major role in the properties of supercapacitors (voltage, temperature range, leakage current, lifetime, etc.). This thesis aims to develop protic and aprotic ionic liquids dedicated to pseudocapacitive micro-supercapacitors based on metal oxides (RuO2, MnO2). Electrolytes based on ionic liquids exhibit attractive properties, including low saturation vapor pressure, stability at high temperatures, as well as a wide potential window. They thus contribute to improving the surface energy density, the main problem encountered by current micro-supercapacitors. The ionic liquids studied were designed on the basis of their structures and their physico-chemical properties. Electrochemical characterizations were carried out with micro-supercapacitors based on ruthenium oxide and manganese oxide. Very good performances have been obtained by using porous current collectors with a large specific surface. However, liquid electrolytes constitute a technological barrier to the production of functional micro-supercapacitors compatible with microfabrication processes, ionogels composed of a solid matrix in which the ionic liquid has been confined have also been produced.