Pour lutter contre la crise du changement climatique, il est nécessaire de disposer de dispositifs de conversion et de stockage d’énergie électrique plus efficaces.1 Les supercondensateurs sont l'une des technologies de stockage d'énergie électrochimique les plus utilisées aujourd'hui. Les supercondensateurs, appelés condensateurs électrochimiques à double couche (EDLC), stockent la charge à l'interface électrode/électrolyte, via une séparation de charge électrostatique par un processus physique d'adsorption/désorption d'ions ; c'est ce qui fait que les supercondensateurs présentent une densité de puissance plus élevée et un dispositif énergétique à longue durée de vie.2
Dans cette thèse, l'objectif est de comprendre les mécanismes de stockage de charge des matériaux de stockage d'énergie en utilisant une microbalance électrochimique in situ à cristaux de quartz (EQCM). La microbalance électrochimique à cristaux de quartz (EQCM) a été utilisée comme sonde gravimétrique in situ pour l'étude de la dynamique des ions dans une électrode poreuse à base de carbone.3-4
La première étude EQCM porte sur une électrode poreuse en carbone tridimensionnelle. Les principaux porteurs de charge ont été identifiés par EQCM dans des électrolytes aqueux multi-ioniques pendant le transfert d'ions et l'adsorption dans les micropores de carbone. Les résultats sont expliqués en fonction de la taille des ions, de la mobilité des ions et de la plage de pH. La deuxième partie est une étude des réponses ioniques sur le matériau carboné bidimensionnel. Le graphène monocouche (SLG) a été utilisé comme plate-forme bidimensionnelle comme matériau modèle pour imiter les interactions des ions d'un électrolyte avec une surface de carbone sans l'interférence de la porosité. Le SLG a été transféré avec succès sur l'électrode de quartz en utilisant une méthode propriétaire, de sorte que l'EQCM permet d'enregistrer la dynamique des ions à proximité de l'interface carbone/électrolyte, et dans le cas de deux électrolytes différents : un liquide ionique pur et un liquide ionique utilisé comme un sel dissous dans un solvant. La dernière partie est consacrée à l'application de l'EQCM sur différents matériaux pour le stockage de l'énergie. Des matériaux pseudo-capacitifs et de batterie, tels que le matériau pseudo-capacitif Ti3C2Tx MXene et le CaV6O16 comme matériau de cathode de batterie aux ions Ca ont également été testés en utilisant la technique EQCM comme matériau d'électrode à haute performance. Les mécanismes de stockage de charge de chaque matériau sont étudiés en détail dans ce chapitre.
L'approche de cette thèse démontre que l'EQCM est un outil efficace qui fournit un aperçu direct au niveau moléculaire du processus de stockage de charge pour différents matériaux de stockage d'énergie. Elle montre un grand potentiel à servir de sonde électrogravimétrique pour surveiller les flux d'ions et de molécules de solvants qui se produisent à l'interface électrode/électrolyte lors de la polarisation.
Referenceses
1 Chu, S. & Majumdar, A. Opportunities and challenges for a sustainable energy future. nature 488, 294-303 (2012).
2 Simon, P. & Gogotsi, Y. Materials for electrochemical capacitors. Nature materials 7, 845-854 (2008).
3 Levi, M. D., Salitra, G., Levy, N., Aurbach, D. & Maier, J. Application of a quartz-crystal microbalance to measure ionic fluxes in microporous carbons for energy storage. Nature materials 8, 872 (2009).
4 Tsai, W.-Y., Taberna, P.-L. & Simon, P. Electrochemical quartz crystal microbalance (EQCM) study of ion dynamics in nanoporous carbons. Journal of the American Chemical Society 136, 8722-8728 (2014). |
To tackle the climate change crisis, more efficient electrical energy conversion and storage devices are required.1 One of the commonly used electrochemical energy storage technologies today is supercapacitors. Supercapacitors, termed as electrochemical double-layer capacitors (EDLCs), store the charge at the electrode/electrolyte interface, via an electrostatic charge separation by physical ion adsorption/desorption process; it is making supercapacitor exhibits a higher power density and long cycling life energy device.2
In this thesis, the focus is to understand the charge storage mechanisms of energy storage materials by using in situ electrochemical quartz crystal microbalance (EQCM). Electrochemical quartz crystal microbalance (EQCM) has been used as an in situ gravimetric probe for the investigation ion dynamics in porous carbon-based electrode.3,4
The first EQCM study is on three-dimensional porous carbon electrode. The main charge carriers were identified by EQCM in multi-ion aqueous electrolytes during ion transfer and adsorption in carbon micropores. The results are explained based on ion size, ion mobility and pH range. The second part is a study of the ion responses on two-dimensional carbon material. Single layer graphene (SLG) was used as a two-dimensional platform as a model material for mimicking the interactions of ions from an electrolyte with a carbon surface without the interference of the porosity. The SLG was successfully transferred onto the quartz electrode using a proprietary method, so that EQCM enable to record the ion dynamics nearby the carbon/electrolyte interface, and in the case of two different electrolytes: a neat ionic liquid and an ionic liquid used as a salt dissolved in a solvent. The last part is dedicated to the application of EQCM on different materials for energy storage. Pseudocapacitve and battery materials, such as Ti3C2Tx MXene pseudocapacitive material and CaV6O16 as Ca-ion battery cathode material were also tested using EQCM technique as a high rate performance electrode material. The charge storage mechanisms of each materials are investigated detailly in this chapter.
The approach of this thesis demonstrates that EQCM is an efficient tool provides a direct molecular-level insight into the charge storage process for different energy storage materials. It shows a great potential to be served as an electrogravimetric probe to monitor the ion and solvent molecule fluxes occurring at the electrode/electrolyte interface upon polarization.
References
1 Chu, S. & Majumdar, A. Opportunities and challenges for a sustainable energy future. nature 488, 294-303 (2012).
2 Simon, P. & Gogotsi, Y. Materials for electrochemical capacitors. Nature materials 7, 845-854 (2008).
3 Levi, M. D., Salitra, G., Levy, N., Aurbach, D. & Maier, J. Application of a quartz-crystal microbalance to measure ionic fluxes in microporous carbons for energy storage. Nature materials 8, 872 (2009).
4 Tsai, W.-Y., Taberna, P.-L. & Simon, P. Electrochemical quartz crystal microbalance (EQCM) study of ion dynamics in nanoporous carbons. Journal of the American Chemical Society 136, 8722-8728 (2014). |