Thèse soutenue

De la réactivité aux interfaces vers une optimisation du stockage de charges par des matériaux d'électrode positive pour supercondensateurs hybrides
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Auteur / Autrice : Alexia Lemoine
Direction : Isabelle BarailleDelphine Flahaut
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Physico-chimie des matériaux
Date : Soutenance le 03/05/2022
Etablissement(s) : Pau
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences exactes et leurs applications (Pau, Pyrénées Atlantiques ; 1995-)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences analytiques et de Physico-chimie pour l'Environnement et les Matériaux - Institut des sciences analytiques et de physico-chimie pour l'environnement et les materiaux
Jury : Président / Présidente : Liliane Demourgues-Guerlou
Examinateurs / Examinatrices : Isabelle Baraille, Delphine Flahaut, Mireille Richard-Plouet, Mathieu Salanne, Jacob Olchowka, Dominique Foix, Germain Vallverdu
Rapporteurs / Rapporteuses : Mireille Richard-Plouet, Mathieu Salanne

Mots clés

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Mots clés contrôlés

Résumé

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L'ensemble des travaux présentés dans ce mémoire s'inscrit dans le contexte du stockage de l'énergie électrique par des supercondensateurs hybrides. Pour améliorer et optimiser la densité d'énergie et de puissance de ces systèmes, il est primordial de comprendre le lien entre les mécanismes de stockages des charges et les caractéristiques de surface et d'interfaces des matériaux d'électrodes qui les composent.L'expérience conjuguées de L'ICMCB et de l'IPREM dans le domaine des matériaux a permis de déployer une stratégie de recherche visant à caractériser des matériaux composites obtenus à partir d'un ré-empilement d'oxydes métalliques de transition lamellaires Mn/Co. Les matériaux mères considérés sont la birnessite en raison de ses propriétés pseudocapacitives et l'oxyhydroxyde de cobalt pour sa conductivité électronique élevée.L'étude des matériaux mères, birnessites et oxyhydroxydes de cobalt intègrent l'ensemble des éléments suivants : synthèses des matériaux, caractérisations structurales, de surfaces et électrochimiques avec suivi de la réactivité de surface par le biais d'adsorption de sondes gazeuses, modélisation des matériaux, des surfaces et des adsorptions de molécules de KOH ou SO2 qui permet d'approfondir la compréhension des processus électroniques mis en jeux. Pour les composites lamellaires Mn/Co, notre étude s'est concentrée sur la corrélation entre les performances électrochimiques de chaque composite et l'échelle de distribution/homogénéité induite par la morphologie des matériaux mères.Dans la première étude concernant les matériaux birnessites, l'enjeu été de comprendre l'influence des facteurs comme la morphologie ou la surface spécifique des matériaux sur la réactivité de surface et par conséquent leur impact sur les performances électrochimiques. De plus, comme ces matériaux sont protonés pour faciliter l'étape d'exfoliation nécessaire à l'obtention des matériaux composites, il était important de vérifier si la protonation avait un quelconque impact sur les propriétés de surface.Dans la seconde étude consacrée au matériau oxyhydroxyde de cobalt, la confrontation entre les résultats expérimentaux et théoriques révèle la présence majoritaire d'espèces Co3+ de surface et minoritaire d'espèces Co4+ (1-6%). Le couplage XPS et adsorption de sondes gazeuses de SO2 permet de conclure sur la nature des sites actifs de surface avec 90 à 95% de sites rédox et 5 à 10% de sites basiques. L'étude a montré que la surface (110) est celle qui peut être considérée comme ayant une réactivité chimique la plus favorable en raison de la présence d'espèces Co4+. Il apparaît en conclusion de ces travaux qu'accroître le pourcentage d'espèces Co4+ de surface pourrait augmenter la réactivité de surface du matériau et donc améliorer les performances électrochimiques.Dans la dernière étude, consacrée aux matériaux ré-empilés Mn/Co, l'objectif était d'établir un lien entre les informations issues de la caractérisation des différents matériaux composites et leurs performances électrochimiques. Pour cela, la spectroscopie d'électron Auger a permis d'identifier l'échelle de distribution/homogénéité entre les phases birnessites et oxyhydroxyde de cobalt dans les matériaux composites. Cette étude a mis en évidence l'importance de la taille et de la morphologie des matériaux mères impliqués dans le matériau composite.