Les condensateurs électrochimiques (EC), également connus sous le nom de supercapacités, ont atteint la maturité technique pour compléter et parfois remplacer des batteries dans une large gamme d'applications. Des électrolytes classiques à base d'acétonitrile ou de solvants de carbonate de propylene ont été principalement utilisés en combinaison avec des cations ammonium et des anions fluorure. La conception d'électrolytes solides pour les CE serait d'un grand intérêt dans le but de résoudre les problèmes d'emballage, la corrosion, l'auto-décharge ou les fuites. De plus, ces électrolytes solides pourraient être utilisés pour des applications de supercapacités flexibles.
Les ionogels sont des électrolytes quasi solides obtenus à partir du piégeage d'une IL dans un échafaudage de silice en utilisant un procédé sol-gel. La première partie de notre travail a été consacrée à une meilleure compréhension des mécanismes sol-gel non hydrolytiques qui se produisent lors de la formation des ionogels, en utilisant la spectroscopie d'impédance électrochimique. Le changement de la conductivité du mélange sol-gel (acide formique et mélange orthosilicate de tétraéthyle) montre deux domaines temporels différents. La conductivité du mélange décroît d'abord de manière drastique pendant les 25 premières minutes du procédé sol-gel, en supposant qu'elles proviennent de la production in situ d'eau par réaction d'estérification. Dans le deuxième intervalle de temps (t> 25 min), la conductivité tend à se stabiliser, associée à une série de réactions chimiques. Plus de détails sur cette étude seront ajoutés pendant la présentation.
Dans une deuxième partie de la thèse, nous allons montrer la performance électrochimique d'une cellule supercondensateur assemblée avec du charbon actif en tant que matière active et un électrolyte ionogel contenant un mélange liquide ionique (1: 1 en poids ou rapport molaire) de N-méthyl-N -propylpipéridinium bis (fluorosulfonyl) imide (PIP13FSI) et le bis (fluorosulfonyl) imide de N-butyl-N-méthylpyrrolidinium (PYR14FSI). On présentera et discutera les voltampérométries cycliques et les diagrammes de spectroscopie d'impédance électrochimique dans une large plage de températures (-40 ° C à + 60 ° C). L'ionogel présente une conductivité ionique élevée sur une large plage de températures (de 0,2 mS.cm "1 à -40 ° C jusqu'à 10 mS.cm" 1 à 60 ° C). Le supercondensateur à base d'ionogel utilisant deux électrodes à charbon actif peut être actionné sur une fenêtre de tension de cellule de 3 V. De plus, tout ce supercondensateur solide présente une capacité jusqu'à 90 Fg-1 à température ambiante. Ces résultats encourageants montrent l'intérêt de développer de tels dispositifs, y compris les électrolytes non toxiques et plus sûrs, les problèmes d'emballage et le développement de dispositifs flexibles. |
Electrochemical Capacitors (ECs), also known as supercapacitors, have now reached the technical maturity for complementing- and sometimes replacing- batteries in a broad range of applications. Conventional electrolytes based on acetonitrile or propylene carbonate solvents have been mainly used in combination with ammonium cations and fluoride anions. Designing solid electrolytes for ECs would be of great interest in the aim of solving packaging issues, corrosion, self-discharge or leaks. Moreover these solid electrolytes could be used for flexible supercapacitors applications.
Ionogels are quasi-solid electrolyte obtained from the trapping of an IL into a silica scaffold using a sol-gel process. The first part of our work has been devoted to a better understanding of the non-hydrolytic sol-gel mechanisms occurring during the formation of ionogels, using electrochemical impedance spectroscopy. Change of the conductivity of the sol-gel mixture (a Formic acid and Tetraethyl orthosilicate mixture) shows two different time domains. The mixture conductivity is first decreasing drastically during the first 25 minutes of the sol-gel process, assuming to originate from the in-situ generation of water through esterification reaction. In the second time range (t>25 min), the conductivity tends to level off, associated with a series of chemical reactions. More details about this study will be added during the presentation.
In a second part of the thesis, we will show the electrochemical performance of an supercapacitors cell assembled with activated carbon as active materials and an ionogel electrolyte containing an ionic liquid mixture (1:1 by weight or molar ratio) of N-methyl-N-propylpiperidinium bis(fluorosulfonyl)imide (PIP13FSI) and N-butyl-N-methylpyrrolidinium bis(fluorosulfonyl)imide (PYR14FSI). Cyclic voltammetries and electrochemical impedance spectroscopy plots in a large temperature range (-40°C to +60°C) will be presented and discussed. The ionogel exhibits a high ionic conductivity over a wide temperature range (from 0.2 mS.cm−1 at −40 °C up to 10 mS.cm−1 at 60 °C). The ionogel-based supercapacitor using two activated carbon electrodes can be operated over 3 V cell voltage window. Moreover this all solid-supercapacitor shows a capacitance up to 90 F.g−1 at room temperature. These encouraging results show the interest of developing such devices, including non-toxic and safer electrolytes, packaging issues and flexible devices development. |