Études fondamentales des échanges ioniques au sein d’électrodes nanostructurées verticalement par microbalance à quartz en mode dynamique : application au stockage électrochimique de l'énergie

Fundamental insights into dynamic ionic exchange in vertically-oriented nanostructured materials via fast electrogravimetric methods. Applications to energy storage mechanisms.

• Auteur / Autrice : Tao Lé
• Direction : Hubert Perrot, Gérard Bidan
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie physique et chimie analytique
• Date : Soutenance le 31/10/2018
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Chimie physique et chimie analytique de Paris Centre (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Interfaces et systèmes électrochimiques (Paris ; 1967-....)
• Jury : Président / Présidente : François Tran-Van
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ozlem Sel, Mathieu Salanne
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fannie Alloin, Pierre-Louis Taberna

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microbalances

Nanotubes

Électrodes

Supercondensateurs

Mots clés libres

Microbalance

Supercondensateur

Electrogravimétrie

Nanofils

Graphène

PEDOT

Microbalance

Supercapacitor

Electrogravimetry

Nanowires

Graphene

PEDOT

Résumé

Une meilleure compréhension des mécanismes d’échanges ioniques au sein de matériaux d’électrode de supercondensateurs peut être obtenue en couplant les méthodes de caractérisation électrochimique avec des mesures de microbalance à quartz. Parmi les matériaux d’électrodes en cours de développement, une grande amélioration des performances ont été obtenues avec des nanostructures verticales, cependant la technique de microbalance à quartz électrochimique n’a pas encore été employée sur ce type d’électrodes. L’objectif de cette thèse est d’appliquer les méthodes de caractérisation par microbalance à quartz électrochimique à des électrodes de supercondensateurs nanostructurées verticalement. Les nanostructures étudiées au cours de cette thèse sont les nanofils de silicium, les nanofils de PEDOT, les nanofils hybrides silicium/PEDOT ainsi que les voiles de graphène orientés verticalement (VOGNs). La croissance de ces nanostructures a été obtenue directement sur la surface de la microbalance en minimisant les effets sur la qualité de cette dernière. L’effet de l’amortissement de la résonance par ces nanostructures a été étudié dans différents types d’électrolytes. Les échanges ioniques dynamiques ayant lieu au sein d’électrodes à base de VOGNs et de nanofils de PEDOT ont pu être dévoilés. Ces premières avancées dans l’application des mesures électrogravimétriques à des nanostructures verticales ont montré l’étendue des possibilités pour la caractérisation de supercondensateurs à électrodes nanostructurées. Les limites de ces techniques dues aux amortissements hydrodynamiques ont également été montrées pour les architectures plus épaisses.

A better understanding of the ionic exchange mechanisms within supercapacitor electrode materials can be obtained by coupling classical electrochemical techniques with microbalance measurements. Using vertically-oriented nanostructures, supercapacitor devices can be greatly enhanced, however microbalance measurements had not yet been performed with such electrodes. The aim of this Ph.D. thesis is to perform electrochemical quartz crystal microbalance measurements on vertically-oriented nanostructured electrodes for supercapacitors. The nanostructured materials studied throughout this work are silicon nanowires, PEDOT nanowires, hybrid PEDOT-silicon nanowires and vertically-oriented graphene nanosheets (VOGNs). The growth of these nanostructures was obtained directly on the surface of a microbalance while minimizing the effects on it’s quality. The effect of resonance damping with the nanostructures was studied in various electrolytes. The ionic exchange dynamics in VOGN and PEDOT nanowires have been unveiled. These first microbalance results on vertically-oriented nanostructures pave the way to characterizing other nanostructured electrodes for supercapacitors.