Conception d’un nouveau système de stockage d’énergie à nanotubes de carbone

Design of a new carbon nanotube energy storage system

• Auteur / Autrice : Jami Torki
• Direction : Ali Sari, Charles Joubert
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Genie électrique
• Date : Soutenance le 10/01/2024
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire AMPERE (Ecully, Rhône)
• Jury : Président / Présidente : Pascal Venet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ali Sari, Charles Joubert, Nicolas Patin, Isabelle Bord-Majek, Séverine Le Roy
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Nicolas Patin, Isabelle Bord-Majek

Mots clés

Mots clés contrôlés

Éléments finis, Méthode des

Électrolytes

Nanotubes

Diélectriques

Mots clés libres

Modélisation

Diélectrique

Nanotubes

Electrolyte

Éléments finis

Modeling

Dielectric

Nanotubes

Electrolyte

Finite elements

Résumé

L’augmentation de la densité d’énergie électrique stockée dans les systèmes de stockage d’énergie est un verrou technologique crucial pour diminuer le volume des systèmes embarqués. Cette augmentation peut être envisagée par l’intermédiaire d’un accroissement de la surface des électrodes. L’utilisation d’électrode nanostructurée est une voie prometteuse, mais qui requiert des avancées scientifiques et technologiques notables. C’est dans ce cadre que nous avons effectué ces travaux de modélisation dont l’objectif est de faciliter la compréhension du comportement physique du composant. Les modèles établis permettront d’engager une phase d’optimisation de la structure. Dans ce manuscrit, nous détaillons d’abord le fonctionnement et les caractéristiques des condensateurs électrolytiques. Il récapitule les mécanismes de vieillissement évoqués dans la littérature. Ensuite, nous avons obtenu quatre types de solutions analytiques qui modélisent le déplacement des ions d'un électrolyte soumis à l'influence d'un champ électrique. En employant la méthode des éléments finis, une analyse temporelle de la conduction ionique dans un électrolyte en présence d'un diélectrique a confirmé les performances électriques attendues de l’électrolyte.Par la suite, nous abordons l’étude de la modélisation électrostatique et électrocinétique du système afin d’estimer la capacité et les aspects résistifs du système. L'hypothèse d'un champ électrique uniforme ne reflète pas la réalité, car il existe une amplification locale du champ électrique. Cette amplification engendre un risque de claquage diélectrique, nécessitant une réduction de la tension de service du condensateur. Nous examinons les aspects expérimentaux de la mise en œuvre du système de stockage basé sur des nanotubes recouverts de diélectrique. Finalement, nous nous penchons sur une étude de cas basée sur des résultats expérimentaux de l'impact de la contre-électrode sur le comportement global du système complet.

Increasing the density of electrical energy stored in energy storage systems is a crucial technological challenge for reducing the volume of on-board systems. This can be achieved by increasing the surface area of electrodes. The use of nanostructured electrodes is a research area of interest, but it requires significant scientific and technological advances. It is in this context that we have carried out this modeling work, the aim of which is to facilitate understanding of the physical behavior of the component. The models established will be used to initiate the structural optimization phase. In this manuscript, we first detail the operation and characteristics of electrolytic capacitors. It summarizes the aging mechanisms discussed in the literature. Next, we can get four types of analytical solutions that model the displacement of ions from an electrolyte subjected to the influence of an electric field. Using the finite element method, a temporal analysis of ion conduction in an electrolyte in the presence of a dielectric confirmed the expected electrical performance of the electrolyte. We then turn to the electrostatic and electrokinetic modeling of the system to estimate its capacitance and resistive aspects. The assumption of a uniform electric field does not reflect reality, as there is a local amplification of the electric field. This amplification creates a risk of dielectric breakdown, requiring a reduction in the capacitor's operating voltage. We examine the experimental aspects of implementing the storage system based on dielectric-coated nanotubes. Finally, we look at a case study based on experimental results of the impact of the counter-electrode on the overall behaviour of the complete system.