Intercalation et stockage electrochimique dans les nanotubes de carbone : evolution thermique des nanotubes monoparoi

par KARINE METENIER

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Sylvie Bonnamy.

Soutenue en 1999

à Orléans .

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  • Résumé

    Depuis 1991, les nanotubes de carbone font l'objet de nombreux travaux de recherche, depuis leur elaboration jusqu'a l'exploitation de leurs proprietes dans des domaines aussi varies que les nanotechnologies, l'electronique moleculaire, le renforcement des composites, le stockage de l'energie leur diametre est de quelques nanometres et leur longueur peut atteindre le millimetre. Les nanotubes multiparois sont constitues de feuillets carbones arranges en couches concentriques (jusqu'a plusieurs dizaines). Les nanotubes monoparoi, d'un diametre compris entre 1 et 2 nanometres, s'associent par faisceaux de plusieurs centaines de tubes. Dans ce travail, nous nous sommes interesses aux transformations thermiques et aux reactivites chimique et electrochimique de nanotubes multiparois et monoparoi. Les nanotubes multiparois ont ete synthetises par decomposition catalytique ou thermique d'hydrocarbures et les nanotubes monoparoi par la methode de l'arc electrique. Les echantillons ont ete caracterises principalement au moyen de la microscopie electronique par transmission. 1) lors d'un traitement thermique jusqu'a 2800\c, le diametre des nanotubes monoparoi augmente des 1600\c. A 2000\c, ils perdent definitivement leur arrangement bidimensionnel en faisceaux. Au-dela de 2400\c, ils sont integralement transformes en nanotubes multiparois. Cette etude a mis en evidence des mecanismes de coalescence ainsi qu'une metastabilite des nanotubes monoparoi. 2) la deuxieme partie de ce travail traite des modifications structurales et electroniques induites par des reactions d'intercalation de metaux alcalins lourds (k, rb et cs) dans les nanotubes. Avec les nanotubes multiparois, le stade, la periode d'identite, la surstructure de l'intercalat et l'evolution des largeurs de raies en rpe en fonction du stade et du numero atomique de l'alcalin rappellent ceux des composes d'intercalation du graphite. Dans le cas des nanotubes monoparoi, nous montrons que l'intercalation se produit entre les tubes, modifiant le parametre du reseau et dans certains cas, cela va jusqu'a detruire l'arrangement periodique au sein des faisceaux. 3) la troisieme partie est consacree au stockage electrochimique de l'energie par des nanotubes multiparois de structure et microtexture variees. Deux applications sont etudiees : les batteries au lithium et les supercondensateurs. Nous montrons en particulier que si la mesoporosite des nanotubes -bien mise en evidence par les mesures d'adsorption physique d'azote a 77k- apparait nefaste dans les batteries lithium-ion du fait de l'importante irreversibilite et de la polarisation entre les courbes de charge-decharge, en revanche, elle permet d'assurer un bon stockage de charges dans le cas des supercondensateurs.


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Informations

  • Détails : 213 p.
  • Annexes : 230 ref.

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