Synthèse et caractérisation de carbures métalliques pour des applications de stockage éléctrochimique de l'énergie

Study of early transition metal carbides for energy storage applications

• Auteur / Autrice : Yohan Dall'Agnese
• Direction : Patrice Simon, Pierre-Louis Taberna
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et génie des matériaux
• Date : Soutenance le 09/03/2016
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Inter-universitaire de Recherche et d’Ingénierie des Matériaux (Toulouse ; 1999-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Carbures des métaux de transition

Énergie -- Stockage

Mots clés libres

Supercondensateur

Batteries à ion sodium

Condensateur sodium-ion

Matériaux bidimensionnels

MXene

Electrochemical capacitors

Sodium-ion batteries

Sodium ion-capacitors

Two-dimensional materials

MXene

Résumé

La demande urgente d'innovations dans le domaine du stockage de l'énergie est liée au développement récent de la production d'énergie renouvelable ainsi qu'à la diversification des produits électroniques portables qui consomment de plus en plus d'énergie. Il existe plusieurs technologies pour le stockage et la conversion électrochimique de l'énergie, les plus notables étant les batteries aux ions lithium, les piles à combustible et les supercondensateurs. Ces systèmes sont utilisés de façon complémentaire des uns aux autres dans des applications différentes. Par exemple, les batteries sont plus facilement transportables que les piles à combustible et ont de bonne densité d'énergie alors que les supercondensateurs ont des densités de puissance plus élevés et une meilleure durée de vie. L'objectif principal de ces travaux est d'étudier les performances électrochimiques d'une nouvelle famille de matériaux bidimensionnel appelée MXène, en vue de proposer de nouvelles solutions pour le stockage de l'énergie. Pour y arriver, plusieurs directions ont été explorées. Dans un premier temps, la thèse se concentre sur les supercondensateurs dans des électrolytes aqueux et aux effets des groupes de surface. La seconde partie se concentre sur les systèmes de batterie et de capacités à ions sodium. Une cellule complète comportant une anode en carbone et une cathode de MXène a été développées. La dernière partie de la thèse présente l'étude des MXènes pour les supercondensateur en milieu organique. Une attention particulière est apportée à l'étude du mécanisme d'intercalation des ions entre les feuillets de MXène. Différentes techniques de caractérisations ont été utilisées, en particulier la voltampérométrie cyclique, le cyclage galvanostatique, la spectroscopie d'impédance, la microscopie électronique et la diffraction des rayons X.

An increase in energy and power densities is needed to match the growing energy storage demands linked with the development of renewable energy production and portable electronics. Several energy storage technologies exist including lithium ion batteries, sodium ion batteries, fuel cells and electrochemical capacitors. These systems are complementary to each other. For example, electrochemical capacitors (ECs) can deliver high power densities whereas batteries are used for high energy densities applications. The first objective of this work is to investigate the electrochemical performances of a new family of 2-D material called MXene and propose new solutions to tackle the energy storage concern. To achieve this goal, several directions have been explored. The first part of the research focuses on MXene behavior as electrode material for electrochemical capacitors in aqueous electrolytes. The next part starts with sodium-ion batteries, and a new hybrid system of sodium ion capacitor is proposed. The last part is the study of MXene electrodes for supercapacitors is organic electrolytes. The energy storage mechanisms are thoroughly investigated. Different characterization techniques were used in this work, such as cyclic voltammetry, galvanostatic charge-discharge, electrochemical impedance spectroscopy, scanning electron microscopy and X-ray diffraction.