Nouveaux oxydes pseudocapacitifs pour supercondensateurs aqueux à forte densité d'énergie volumique

New pseudocapacitive oxides for high volumetric energy density aqueous supercapacitors

• Auteur / Autrice : Nicolas Goubard
• Direction : Thierry Brousse, Frédéric Favier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 22/11/2016
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matériaux, Matières, Molécules en Pays de la Loire (3MPL) (Le Mans ; 2008-2021)
• Partenaire(s) de recherche : COMUE : Université Bretagne Loire (2016-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Matériaux Jean Rouxel (Nantes)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Barboux
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Crosnier, Thierry Le Mercier, Christophe Payen
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Patrice Simon, Daniel Guay

Mots clés

Mots clés contrôlés

Oxydes

Supercondensateurs

Tungstates

Mots clés libres

Operando

Résumé

Les supercondensateurs sont des systèmes de stockage électrochimique de l’énergie destinés à des applications de puissance. Les performances de ces dispositifs sont directement liées aux propriétés physico-chimiques de leurs matériaux d’électrodes. La recherche de nouveaux matériaux présentant des performances accrues (densités d’énergie et de puissance) est nécessaire pour répondre aux besoins en systèmes de stockage performants tout en considérant un coût de fabrication modéré et un faible impact environnemental. Si les densités d’énergies et de puissances gravimétriques (par unité de masse) doivent être améliorées, il est primordial d’augmenter les performances volumiques des supercondensateurs, qui sont des critères essentiels dans la plupart des applications. Cette thèse vise à rechercher de nouveaux matériaux d’électrode de supercondensateur fonctionnant en milieu aqueux, afin d’en améliorer la densité d’énergie volumique. Pour cela, des oxydes polycationiques de forte densité ont été étudiés. Parmi eux, le tungstate de fer (FeWO4) présente des propriétés pseudocapacitives particulièrement intéressantes. Il possède une capacité volumique pouvant dépasser largement celle des carbones activés utilisés dans les supercondensateurs actuels, tout en démontrant une excellente durée de vie. Ce composé a fait l’objet d’une étude approfondie depuis sa synthèse jusqu’à son utilisation dans un supercondensateur asymétrique complet et son comportement électrochimique a été étudié par des techniques de caractérisation in situ et operando.

Supercapacitors are electrochemical energy storage devices particularly suited for power applications. Their performance highly depends on the physical and chemical properties of their electrode materials. Further research on new compounds with improved storage properties is necessary to meet the requirements concerning high-performance energy storage devices while considering a reasonable manufacturing cost and a low environmental impact. Their gravimetric (per mass unit) energy and power densities have to be increased but improving the volumetric energy density of supercapacitors, which is one of the limiting factors of most applications, is essential. This thesis aimed at researching new supercapacitor electrode materials operating in aqueous electrolytes, in order to increase their volumetric energy density. To reach this goal, highdensity polycationic oxides were studied. Among them, iron tungstate (FeWO4) has shown particularly interesting pseudocapacitive properties. It exhibits a higher volumetric capacitance than that of activated carbons used in existing commercial devices and an excellent cycle life. This compound was deeply studied from its synthesis to its use in an asymmetric supercapacitor and its electrochemical behavior was characterized via in situ and operando techniques.