Greffage de molécules électroactives sur carbone pour les électrodes de supercondensateur hybride

Grafting of electroactive molecules on carbon for hybrid supercapacitor electrode

• Auteur / Autrice : Annaïg Le Comte
• Direction : Thierry Brousse, Daniel Belanger
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux, Electrochimie
• Date : Soutenance en 2014
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matériaux, Matières, Molécules en Pays de la Loire (3MPL) (Le Mans2008-2021)
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Nantes. Faculté des sciences et des techniques
• Jury : Président / Présidente : Olivier Chauvet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thierry Brousse, Daniel Belanger, Olivier Chauvet, Philippe Barboux, Serge Palacin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Barboux, Serge Palacin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Quinone

Sels de diazonium

Supercondensateurs

Mots clés libres

Greffage

Carbone

Résumé

Aujourd’hui, la planète entière est consciente de la nécessité de développer de nouvelles sources d’énergie durables et respectueuses de l’environnement. Ces sources pour la plupart intermittentes (solaire, éolien) doivent être associées à des systèmes de stockage. Les batteries et les supercondensateurs sont les principaux dispositifs de stockage électrochimique de l’énergie. Les batteries stockent l’énergie de façon faradique et présentent donc des énergies spécifiques élevées. Le stockage des charges dans les supercondensateurs est basé sur des processus capacitifs qui assurent de fortes puissances spécifiques et des durées de vie quasi-infinie. Les systèmes hybrides combinent une électrode de batterie pour augmenter la capacité stockée avec une électrode de supercondensateur pour maintenir des cinétiques de charge/décharge rapides. L’objectif de cette thèse a visé l’augmentation de la densité d’énergie stockée par ces systèmes. L’approche retenue a été le greffage covalent de molécules électroactives à la surface d’un carbone poreux pour ajouter une contribution faradique à la capacité totale de l’électrode de supercondensateur. La chimie des sels de diazonium a été utilisée pour la modification des poudres de carbone. Un intérêt particulier a été porté sur le choix de la molécule. La formation d’une liaison forte entre la molécule et le substrat a été démontrée par différentes techniques de caractérisation. Finalement, l’assemblage et le cyclage de dispositifs complets ont prouvés que le greffage permet une augmentation de la densité d’énergie sans impacter sur la densité de puissance.

Nowadays, everybody is conscious of the need to develop new sustainable and environmentally friendly energy sources. These sources mostly intermittent (solar, wind) must be associated with storage systems. The two main electrochemical energy storage devices are batteries and supercapacitors. Batteries store energy through Faradaic reactions and therefore display high specific energy. The charge storage mechanism in supercapacitors is based on capacitive processes that ensure high specific power and life time up to 106 cycles. Hybrid systems combine battery-type electrode which increases the stored capacity, with a supercapacitor electrode which maintains fast charge/discharge kinetics. In this thesis we have developed strategies to increase the energy density stored in these systems. The chosen approach was the covalent grafting of electroactive molecules onto the surface of a porous carbon to add a faradaic contribution to the total capacity of the supercapacitor electrode. The chemistry of diazonium salts was used for the modification of carbon powders. The choice of the molecule has been especially investigated. The formation of a covalent bond between the molecule and the substrate has been highlighted by characterization techniques. Finally, the assembly and the cycling of complete devices have proven that the grafting induces an increase of the energy density without impacting on the power density.