Elaboration et caractérisation d'électrodes VACNT/MnO2 pour application aux supercondensateurs hybrides

par Baptiste Pibaleau

Thèse de doctorat en Chimie

Sous la direction de François Tran-van et de Mathieu Pinault.

Soutenue le 12-12-2018

à Tours , dans le cadre de École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire) , en partenariat avec Physico-Chimie des Matériaux et des Électrolytes pour l’Énergie (Tours) (équipe de recherche) .

Le président du jury était Hubert Perrot.

Le jury était composé de Fouad Ghamouss, Martine Mayne-L'Hermite, Pierre Legagneux.

Les rapporteurs étaient Frédéric Favier, Catherine Journet.

mots clés

• Nanotubes de carbone verticalement alignés
• Croissance basse température sur aluminium
• Oxydes de manganèse
• Matériaux d'électrode
• Supercondensateur asymétrique
• Stockage de l'énergie
• Supercondensateurs
• Matériaux hybrides
• Nanotubes
• Oxydes de manganèse
• Électrodes de carbone
• Dépôt électrolytique
• Nanoparticules
• Matériaux -- Effets des basses températures
• Matières d'enrobage (électronique)
• Énergie -- Stockage
• Alliages aluminium-manganèse
• Analyse électrochimique

Résumé

Les travaux de cette thèse ont porté sur l'élaboration, l'optimisation et l'étude d'électrodes composites de nanotubes de carbone verticalement alignés (VACNT) sur un collecteur d'aluminium et modifiés par l'oxyde de manganèse (MnO₂). Les VACNT synthétisés par voir CVD à basse température (580°C:) directement sur le collecteur ont permis d'obtenir des tapis de NTC parfaitement alignés d'une épaisseur allant de 20 à 80 µm et possédant des densités de 10¹¹ NTC.cm² et dont le taux de catalyseur (Fe) est inférieur à 1%. Leur modification par du MnO2 permet d’accroître leur capacité de stockage électrochimique. Afin de réaliser un enrobage optimal des VACNT par le MnO₂, différents précurseurs de l'oxyde ainsi que diverses méthodes(dépôts électrochimiques, chimiques, CVD) ont été utilisées et optimisées. Les composites élaborés ont ensuite été étudiées en tant que matériau d'électrode pour la réalisation de supercondensateurs asymétriques eu milieux aqueux.

mots clés

• Vertically aligned carbon nanotubes
• Low temperature growth on aluminum
• Manganese oxides
• Electrode materials
• Asymmetric supercapacitor
• Energy storage

Titre traduit

Development and characterization of VACNT/MnO2 electrodes and application to supercapacitors

Résumé

This thesis was focused on the development, optimization and study of composite electrodes of vertically aligned carbon nanotubes (VACNT) on an aluminum collector and modified with manganese oxide (MnO₂).VACNT were synthesized by a CVD process at low temperature (580° C) directly on the collector. Perfectly aligned CNT forest with a thickness of 20 to 80 μm were obtained with high densities of 10¹¹ NTC.cm² and whose catalyst (Fe) content is less than 1%. Their modification with MnO₂ increase their electrochemical storage capacity. In order to achiew optimal coating of VACNT by MnO₂, different precursors of the oxide and various methods ( electrochemical, chemical, CVD) were used and optimized. Composites were studied as electrode material for the realization of asymmetric supercapacitors in aqueous media. In addition, structurals, morphologicals and electrochemicals analyzes carried out on the different materials allowed a better understanding of the role of the elaboration's conditions on the properties of the VACNT/MnO₂ composites obtained.