Electrodes à base d'oxyde de graphène réduit - Polymères (liquides ioniques) pour des supercondensateurs performants

Reduced graphene oxide–Poly (ionic liquid) electrodes for flexible high-performance supercapacitors

• Auteur / Autrice : Hazar Guemiza
• Direction : Pierre-Henri Aubert, Cédric Plesse, Thuan Nguyen Pham Truong
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie - Cergy
• Date : Soutenance le 05/09/2024
• Etablissement(s) : CY Cergy Paris Université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie (Cergy-Pontoise, Val d'Oise)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physico-chimie des polymères et des interfaces (Cergy-Pontoise, Val d'Oise ; 1998-....)
• Jury : Président / Présidente : Hubert Perrot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre-Henri Aubert, Cédric Plesse, Thuan Nguyen Pham Truong, Nicolas Berton, Jalal Ghilane, Laure Biniek
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nicolas Berton, Jalal Ghilane

Mots clés

Mots clés libres

Oxyde de graphène réduit

Polymères (liquides ioniques)

Supercondensateurs flexibles

Electrolytes solides

Edlc

Stockage de l'énergie

Reduced graphene oxide

Poly(ionic liquid)

Flexible supercapacitors

Solid state electrolyte

Edlc

Energy storage

Résumé

Ces travaux de thèse visent à développer des supercondensateurs flexibles tout solide pour les utiliser dans le cadre de l'énergie comme matériaux d’électrode de supercondensateurs. Pour ce faire, l’oxyde de graphène réduit a été choisi comme matériaux d’électrode et associer à différents poly(liquide ioniques) (PIL) dans des composites rGO-PIL. La première partie de cette étude se concentre sur l'élaboration d'électrodes rGO-PIL à l'aide d'électrolytes conventionnels (EMImTFSI). Les mesures électrochimiques montrent que la présence de 10 wt% de PIL augmente la capacité à 80 F.g-1. La deuxième partie de cette étude se concentre sur le développement de SCs tout solide. Ainsi, des PILs et une nouvelle famille de polyélectrolytes obtenus par la coaservation PIL de charges opposées, nommé gels ioniques dynamiques (DIGs), ont été mises au point. Ce type de DIGs peut être un candidat potentiel en tant qu'électrolyte tout solide, ainsi qu'en tant qu'agent intercalant ionique/polymérique pour les matériaux 2D en couches, assurant une continuité conductrice à travers le dispositif. L'élaboration d'électrodes rGO-PIL, rGO-DIG et leur association avec des électrolytes PIL et DIG ont été élaborés. Les meilleures performances ont été obtenues en utilisant le DIGs comme électrolyte. Le supercondensateur élaboré peut fonctionner efficacement à des températures supérieures à 80°C (28 F.g-1) avec une forte augmentation de la capacité spécifique par rapport aux valeurs à température ambiante (10 F.g-1) et sans risque de fuite du liquide ionique, ce qui n'est pas couramment le cas avec les électrolytes conventionnels. Enfin, les supercondensateurs ont été fabriqués sur des collecteurs de courants flexibles et différentes mesures de flexibilité ont été élaborées. Tous ces électrolytes solides peuvent opérer à une fenêtre de potentiel élevée (2 V). Ce travail a aussi démontré un grand potentiel d’utilisation des électrolytes tout solides, sans risque de fuite même à hautes températures.

This thesis aims to develop flexible all-solid-state supercapacitors (SCs) for energy storage systems. For this purpose, reduced graphene oxide was selected to be used as an active material and associated with different poly(ionic liquid) (PIL) in rGO-PIL composites. The first part of this study focuses on the elaboration of rGO-PIL electrodes using conventional liquid electrolytes. Electrochemical measurements show that the presence of 10% of PIL enhances the capacitance to 80 F.g-1. The second part of this study focuses on the development of solid-state SCs. Hence PILs and a new family of polyelectrolytes obtained via the complex conservation of oppositely charged PILs called Dynamic Ion Gels was developed. Such DIGs can be a potential candidate as a safe and solid-state electrolyte as well as an ionic/polymeric intercalant agent for layered 2D materials., ensuring highly conducting continuity through the hole device. The elaboration of rGO-PIL, rGO-DIG electrodes and their association with PIL and DIGs electrolyte was elaborated. The best performances were obtained when using DIGs as electrolyte. The fabricated cell can efficiently operate at high temperatures above 80°C (28 F.g-1) with the strong enhancement of specific capacitance compared to the values at room temperature (10 F.g-1) and without any risk of liquid leakage which is not commonly obtained with conventional solvent. All these solid electrolytes can operate at an elevated potential window (2 V). Finally, the supercapacitors were made on flexible current collectors and different bending measurements were elaborated at elevated temperatures. This work demonstrated the great potential of using solid-state electrolytes which ensures safety and good performance at elevated temperatures.