Analyse thermique et électrochimique de supercondensateurs carbone-MnO2 en milieu aqueux

par Yann Dandeville

Thèse de doctorat en Science des matériaux

Sous la direction de Yves Scudeller et de Philippe Guillemet.

Soutenue en 2012

à Nantes , en partenariat avec Université de Nantes. Faculté des sciences et des techniques (autre partenaire) .


  • Résumé

    Cette thèse a pour but de caractériser le fonctionnement de supercondensateurs asymétriques à base de carbone activé et de dioxyde de manganèse (C-MnO2) dans un électrolyte aqueux de sulfate de potassium. Un dispositif calorimétrique a été conçu spécialement pour réaliser des mesures thermiques (échauffement et puissance dissipée au cours du temps) et électriques (courant et tension au cours du temps, durées des charges et de décharges, capacité électrique) sur des supercondensateurs C-MnO2 de petite taille en fonction de plusieurs paramètres de fonctionnement : densité de courant, plage de potentiel de cyclage et température ambiante. Les mesures ont montré des évolutions de puissance calorifique induites par les phénomènes de transport et de transfert des charges électriques dans l'électrolyte et sur les électrodes. Les énergies calorifiques impliquées dans l'adsorption des ions de l'électrolyte sur la surface du carbone et de l'intercalation des ions K+ dans MnO2 ont été quantifiées. L'effet de la température sur la capacité électrique et le rendement énergétique de la cellule a été étudié. Les mesures électrochimiques et calorimétriques ont mis en évidence l'effet de la décomposition de l'électrolyte au delà de 1,5 V. Un modèle a été développé pour la simulation électrothermique de supercondensateurs C-MnO2 de grande capacité électrique. Ce modèle a été établi à partir des mesures obtenues sur une cellule de petite taille. Les simulations, réalisées sur des dispositifs de 500 F et 1 700 F et prenant en compte les couplages thermo-électrochimiques, ont montré des hétérogénéités de température dans les cellules affectant le comportement électrochimique.


  • Résumé

    The aim of this work is to characterize the performance of asymmetric activated carbon and manganese dioxide based supercapacitor in a potassium sulphate aqueous electrolyte. A calorimetric device was designed specifically for thermal (heat and power dissipated over time) and electrical measurements (current and voltage over time, durations of charges and discharges, capacitance) on small size C-MnO2 supercapacitors as a function of several parameters: current density, potential range of cycling and ambient temperature. Measurements showed dissipated heat induced by transport and transfer of electric charges in the electrolyte and the electrodes. The heat involved in the adsorption of ions from the electrolyte on the carbon surface and the intercalation of K + ions in MnO2 was quantified. Electrical capacity and energy efficiency of the cell were also studied. Electrochemical and calorimetric measurements have shown the consequences of electrolyte decomposition beyond 1. 5 V. A model was developed for electrothermal simulation of C-MnO2 supercapacitors. This model was established from measurements obtained on a small size cell. The simulations, performed on devices of 500 F and 1,700 F and taking into account the thermo-electrochemical coupling, showed temperature heterogeneities affecting the electrochemical behavior.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (181 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. p.177-181

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