Formulation d'électrolytes sécuritaires pour supercondensateurs

Safe electrolyte formulation for supercapacitors

• Auteur / Autrice : Flavien Ivol
• Direction : Fouad Ghamouss, Johan Jacquemin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie. Electrochimie. Chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 03/12/2019
• Etablissement(s) : Tours
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Physico-Chimie des Matériaux et des Électrolytes pour l’Énergie (Tours)
• Jury : Président / Présidente : François Tran-Van
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mireille Turmine
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Michaël Deschamps, Cristina Iojoiu

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sulfonium -- Composés

Synthèse organique

Détérioration

Matériaux -- Propriétés thermiques

Analyse électrochimique

Solubilité

Solvants

Couche double électrique

Conduction ionique

Liquides ioniques

Cyanogène

Nitriles

Formulation (génie chimique)

Électrolytes

Supercondensateurs

Mots clés libres

Sulfonium cyclique

Sulfonium acyclique

Solvants moléculaires

Electrolyte

Ionic liquid

Energy storage

Supercapacitor

Nitrile solvent

Organic synthesis

Résumé

L’objectif de cette thèse est de développer et d’optimiser un électrolyte organique performant et sécuritaire pour des supercondensateurs capacitifs. En effet, l’électrolyte aujourd’hui utilisé dans ces systèmes, présente des risques d’inflammabilité importants. Dans le cadre de cette thèse plusieurs solvants nitriles et dinitriles ont été utilisés pour la formulation d’électrolytes alternatifs pour les supercondensateurs. Ces solvants sont choisis pour leur grande stabilité thermique et faible volatilité. Par ailleurs, il a été proposé de remplacer le sel d’électrolyte de référence par des liquides ioniques aprotiques commerciaux ou issus de synthèses en laboratoire. En effet, la forte miscibilité et compatibilité des liquides ioniques avec les solvants choisis permet la formulation d’électrolyte fortement concentrés en ions favorisant ainsi le processus de stockage à la double-couche électrochimique. En outre, ces nouvelles formulations présentent un domaine liquide bien plus étendu que les formulations utilisant le sel de référence. Plus important encore, les travaux exposés dans ce manuscrit présentent une démarche expérimentale multiparamétrique s’appuyant parfois sur des modèles mathématiques et prédictifs pour aboutir à des formulations d’électrolytes optimisées.

The main objective of this PhD thesis is to design and optimize an efficient and safe organic electrolyte for capacitive supercapacitor applications. The benchmark electrolyte currently used in these particular systems presents a significant safety drawback, due to its high flammability. To overcome this issue, several nitrile and dinitrile solvents have been used to formulate alternative electrolytes for supercapacitors. These solvents were initially identified based on their relatively high thermal stability and low volatility. Furthermore, it was also proposed to substitute the reference molten salt with commercially available aprotic ionic liquids, or ones synthetized in the laboratory. The substitution was found to enhance the salt miscibility and compatibility when combined with selected organic solvents, allowing for the formulation of highly concentrated electrolytes with improved electric double-layer storage process. In addition, the ionic liquid-based electrolytes have a larger liquidus temperature range than that of the benchmark molten salt. More importantly, this work presents a clear strategy led by a multi-parametric experimental approach supported by theoretical calculations to optimize the formulation of safer electrolytes for supercapacitors.