Optimizing carbon/carbon supercapacitors in aqueous and organic electrolytes
L enjeu majeur du développement des supercondensateurs reste focalisé sur l augmentation de la densité d énergie de ces systèmes tout en adoptant une démarche la plus respectueuse possible de l environnement. Afin de satisfaire cet objectif, deux stratégies d optimisation de supercondensateurs carbo...
Gorde:
| Egile nagusia: | |
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| Beste egile batzuk: | |
| Formatua: | Thèse numérique |
| Hizkuntza: | Anglais Français |
| Argitaratua: |
2013.
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| Gaiak: | |
| Sarrera elektronikoa: | Accès au texte intégral https://theses.univ-orleans.fr/public/2013ORLE2011_va.pdf http://www.theses.fr/2013ORLE2011/abes https://theses.hal.science/tel-00872080 |
| Oharra: |
Titre provenant de l'écran-titre Ecole(s) Doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....) Partenaire(s) de recherche : Centre de recherche sur la matière divisée (Orléans ; 2012-2014) (Laboratoire) Autre(s) contribution(s) : Pascal Brault (Président du jury) ; François Béguin, Pascal Brault, Thierry Brousse, Jacek Machnikowski, Katia Guérin, Encarnacion Raymundo-Pinero (Membre(s) du jury) ; Thierry Brousse, Jacek Machnikowski (Rapporteur(s)) |
| Autres localisations: | Voir dans le Sudoc |
| Variante du titre: | Optimisation de supercondensateurs carbone/carbone dans des électrolytes aqueux et organiques |
| Gaia: | L enjeu majeur du développement des supercondensateurs reste focalisé sur l augmentation de la densité d énergie de ces systèmes tout en adoptant une démarche la plus respectueuse possible de l environnement. Afin de satisfaire cet objectif, deux stratégies d optimisation de supercondensateurs carbone/carbone ont été envisagées en fonction du milieu électrolytique utilisé: i) dans le cas du milieu aqueux, des solutions de sulfates alcalins neutres ont été considérées afin d étendre la tension de fonctionnement du système; ii) dans le cas du milieu organique, une méthode douce d'activation a été mise en oeuvre afin d obtenir des carbones microporeux avec une taille moyenne de pores adaptée à la taille des ions de l électrolyte. L utilisation d électrolytes aqueux à base de sulfates alcalins dans des supercondensateurs carbone/carbone symétriques a permis d étendre la fenêtre de tension jusqu à 1,9 V ; cette dernière a même pu être étendue à 2,0 V par ajustement des masses d électrodes. Enfin, des électrodes commerciales enduites ont été utilisées dans des cellules type coffee-bag offrant une excellente stabilité pendant 10,000 cycles à 2,1 V. En milieu organique, des carbones nanoporeux denses avec des pores adaptés à la taille des ions de l'électrolyte organique Et4NBF4/acetonitrile ont été obtenus par oxydation à haute pression et basse température (environ 200ů) d un carbone non poreux. Une étape suivante de traitement thermique a ensuite permis d éliminer les groupements fonctionnels de surface et ainsi d améliorer l accessibilité de la porosité. En raison de la faible oxydation, la densité des électrodes est remarquablement élevée permettant d atteindre des valeurs élevées de capacité volumique. The objective of this work is to improve the energy density of carbon/carbon supercapacitors. For achieving this objective, two different strategies were followed depending on the electrolyte used: i) in aqueous electrolytes, our efforts were focused on extending the operating cell voltage by using neutral alkali sulfate solutions; ii) in organic electrolyte, the target was to improve the volumetric capacitance by setting a mild activation method able to produce a porous carbon with average pore size matching the ion size, while not enlarging the pores upon porosity development. A practical cell voltage of 1.8 V has been demonstrated by implementing aqueous alkali sulfates in symmetric carbon/carbon capacitors. It has been shown that the voltage is limited by a partial destructive electro-oxidation of the positive electrode. Such irreversible electro-oxidation could be mitigated by mild chemical oxidation of the active carbon material with hydrogen peroxide; consequently, the voltage could be further expanded up to 1.9 V. Even 2.0 V could be attained after mass balancing the electrodes in order to allow them to operate in their stability window. Finally, pouch-cells with carbon coating on stainless steel current collector were realized by using 2 mol L-1 Li2SO4 as electrolyte. An exceptional cycling stability at cell voltages up to 2.1 V was obtained during 10,000 cycles. Hence, the use of alkali sulfate electrolytes is a cost-effective alternative to organic electrolytes for producing environment friendly and safe carbon/carbon supercapacitors. Dense nanoporous carbons with pores fitting the dimension of ions of the Et4NBF4/acetonitrile organic electrolyte were obtained by high pressure oxidation of non-porous carbon at low temperature, followed by a thermal desorption to remove the surface groups and unblock pore entrances. The activation mechanism consisted in drilling the narrow pores existing initially in the char. Due to the low burn-off, the density of the electrodes was remarkably high allowing high volumetric capacitance values to be reached. This novel production method associates the advantages of environment friendly, cost-effective, high yield and low energy consumption characteristics. |
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| Alearen deskribapena: | Titre provenant de l'écran-titre Ecole(s) Doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....) Partenaire(s) de recherche : Centre de recherche sur la matière divisée (Orléans ; 2012-2014) (Laboratoire) Autre(s) contribution(s) : Pascal Brault (Président du jury) ; François Béguin, Pascal Brault, Thierry Brousse, Jacek Machnikowski, Katia Guérin, Encarnacion Raymundo-Pinero (Membre(s) du jury) ; Thierry Brousse, Jacek Machnikowski (Rapporteur(s)) |
| Formatua: | Configuration requise : un logiciel capable de lire un fichier au format : PDF |