L'objectif de cette thèse est d'étudier les propriétés électrochimiques des matériaux 2D utilisés comme électrode dans les batteries et les supercondensateurs. La première partie commence par l'utilisation de l'aérogel à oxyde de graphène réduit (rGO) comme matériau d'électrode négative pour les batteries à ions potassium (PIB). L'influence de la nature de l'électrolyte et les méthodes de séchage utilisées ont été étudiées afin d'optimiser les performances électrochimiques du rGO lyophilisé dans les PIB. La spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS) a été utilisée pour évaluer les performances de notre matériau rGO dans les PIB. rGO peut fournir une capacité élevée de 267 mAh g-1 à un débit C / 3 avec une rétention de capacité de 78% pendant 100 cycles, combinée à une capacité de débit élevé (92 mAh g-1 à 6,7 C). Cet ensemble de résultats fait de l'aérogel rGO un matériau d'électrode prometteur pour les PIB.
Ensuite, nous nous sommes concentrés sur la méthode du sel fondu (MSM) pour concevoir des matériaux aux propriétés électrochimiques améliorées pour les applications de stockage d'énergie. Avec MSM, 2D K0,27MnO2 · 0,54H2O (KMO) et 1D CaV6O16 · 7H2O (CVO) se sont préparés avec succès. KMO nanosheet a été utilisé comme cathode pour les batteries Zn-ion aqueuses, avec des capacités spécifiques élevées (288 mAh g-1) et une cyclabilité à long terme (rétention de capacité de 91% après 1000 cycles à 10 C). La technique EQCM a d'abord été réalisée pour confirmer le mécanisme de stockage de charge d'intercalation H3O + et Zn2 + qui en résulte. De plus, le CVO a également été utilisé comme matériau de cathode dans des batteries aqueuses à ions Ca. En conséquence, d'excellentes performances électrochimiques ont été obtenues, avec une capacité de 205 mAh g-1, une longue durée de vie (> 97% de rétention de capacité après 200 cycles à 3C) et des performances élevées (117 mAh g-1 à 12 C ) lors de réactions d'intercalation (de) intercalation des ions Ca.
Contrairement à la précédente méthode de sel fondu flash réalisée dans l'air, nous avons conçu une autre méthode de sel fondu sous atmosphère d'argon pour préparer des matériaux de carbures métalliques 2D (MXène) tels que Ti3C2 (M = Ti, X = C). En jouant avec la chimie du précurseur MAX et la composition de la fonte acide de Lewis, nous généralisons cette voie de synthèse à une large gamme chimique de précurseurs MAX (A = Zn, Al, Si, Ga). Les matériaux MXene obtenus (appelés MS-MXenes) présentent des performances électrochimiques améliorées dans un électrolyte non aqueux contenant du Li +, avec une capacité de 205 mAh g-1 à 1,1 C, ce qui rend ces matériaux très prometteurs en tant qu'électrodes négatives pour les batteries Li haute puissance ou les appareils hybrides tels que les condensateurs Li-ion. Outre l'APS, un autre agent de gravure (FeCl3) a été utilisé pour dissoudre le Cu. En outre, deux stratégies ont été adoptées pour fabriquer du MS-MXene en tant qu'électrode à haut débit, notamment en utilisant un électrolyte à base d'ACN à haute conductivité et la délamination de MS-MXene multicouche. En résumé, cette méthode permet de produire de nouveaux types de MXène difficiles voire impossibles à préparer en utilisant des méthodes de synthèse précédemment rapportées comme la gravure HF. En conséquence, il élargit encore la gamme de précurseurs de phase MAX qui peuvent être utilisés et offre des opportunités importantes pour ajuster la chimie de surface et faire du MS-MXene une électrode à haut débit dans un système non aqueux. |
The aim of this thesis is to study the electrochemical properties of 2D materials used as electrode in batteries and supercapacitor. The first part starts with using reduced graphene oxide (rGO) aerogel as a negative electrode material for potassium-ion batteries (PIBs). The influence of the nature of the electrolyte and the drying methods used were investigated in order to optimize the electrochemical performance of freeze-dried rGO in PIBs. Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) were used to assess the performance of our rGO material in PIBs. rGO can deliver a high capacity of 267 mAh g-1 at C/3 rate together with 78% capacity retention during 100 cycles, combined with high rate capability (92 mAh g-1 at 6.7 C). This set of results makes rGO aerogel a promising electrode material for PIBs.
Afterwards, we focused on molten salt method (MSM) to design materials with enhanced electrochemical properties for energy storage applications. With MSM, 2D K0.27MnO2·0.54H2O (KMO) and 1D CaV6O16·7H2O (CVO) have successfully prepared. KMO nanosheet has been used as cathode for aqueous Zn-ion batteries, with high specific capacities (288 mAh g-1) and long-term cyclability (91% capacity retention after 1000 cycles at 10 C). EQCM technique was firstly performed to confirm the consequent H3O+ and Zn2+ intercalation charge storage mechanism. Additionally, CVO was further used as cathode material in aqueous Ca-ion batteries. As a result, excellent electrochemical performance was achieved, with a capacity of 205 mA h g-1, long cycle life (>97% capacity retention after 200 cycles at 3C rate) and high rate performance (117 mAh g-1 at 12 C) during Ca-ion (de)intercalation reactions.
Differently from the previous flash molten salt method achieved in air, we designed another molten salt method under argon atmosphere to prepare 2D metal carbides (MXene) materials such as Ti3C2 (M=Ti, X=C). By playing with the chemistry of the MAX precursor and the Lewis acid melt composition, we generalize this synthesis route to a wide chemical range of MAX precursors (A=Zn, Al, Si, Ga). The obtained MXene materials (termed as MS-MXenes) exhibits enhanced electrochemical performance in Li+ containing non-aqueous electrolyte, with a capacity of 205 mAh g-1 at 1.1 C, making these materials highly promising as negative electrodes for high power Li batteries or hybrid devices such as Li-ion capacitors. Besides APS, another etchant (FeCl3) has been used to dissolve Cu. Furthermore, two strategies have been adopted to make MS-MXene as high rate electrode, including using high conductive ACN-based electrolyte and the delamination of multi-layered MS-MXene. To sum up, this method allows producing new types of MXene that are difficult or even impossible to be prepared by using previously reported synthesis methods like HF etching. As a result, it expands further the range of MAX phase precursors that can be used and offer important opportunities for tuning the surface chemistry and make MS-MXene as high rate electrode in non-aqueous system. |