Assresahegn, Birhanu Desalegn
(2018).
« Development of new electrode materials for electrochemical energy storage systems » Thèse.
Montréal (Québec, Canada), Université du Québec à Montréal, Doctorat en chimie.
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Résumé
Pour une utilisation fiable des ressources énergétiques renouvelables en tant que principales sources d’énergie, de bons systèmes de stockage d’énergie jouent un rôle de premier plan. Le passage du combustible fossile à l’énergie verte dépend fondamentalement du développement de systèmes performants de stockage d’énergie électrochimique qui peuvent stocker une quantité élevée d’énergie et la délivrer ou la récupérer en quelques secondes/minutes. Les principales technologies de stockage d’énergie électrochimiques qui retiennent une grande attention et qui, pourtant sont en sous-développement aujourd'hui pour diverses applications sont les supercondensateurs et les batteries au lithium-ion. Cependant, pour que ces technologies aient une chance réelle de mise en œuvre, en vue de remplacer l'utilisation des combustibles fossiles dans le parcours énergétique actuel, elles devraient posséder une plus grande densité d’énergie et de puissance, un cycle de vie plus long, avec un cout abordable et une sécurité améliorée que l'état actuel. Cela pose toujours des défis matériels et, pour les décennies écoulées, la principale voie pour atteindre ces objectifs a été de rechercher ce type de matériau ou des matériaux composites pour préparer de nouvelles électrodes avec une capacite supérieure à celle des matériaux traditionnels tout en maintenant la durée de vie requise. Par conséquent, l'électrode à base de carbone et les anodes à base de silicium pour les supercondensateurs et les batteries au lithium-ion, respectivement, sont considérés comme d'excellents candidats en tenant compte de diverses caractéristiques. Néanmoins, les électrodes à base de carbone ne fournissent toujours pas la capacite requise et les anodes de silicium sont caractérisées par une désintégration rapide en capacite avec le temps de cyclage, bien que de nombreuses conceptions structurelles aient été proposées pour atténuer ces problèmes. Par conséquent, il devient évident que la qualité des interfaces électrode-électrolyte et la capacité du chimiste à concevoir la formulation d'électrodes performantes à la demande en abordant simultanément plusieurs problèmes est la principale voie à suivre pour atteindre les objectifs ultimes à l'égard de ces matériaux d'électrode en dépit des approches vastes et sporadiques. Par conséquent, l'objectif de cette thèse est de concevoir une approche et de développer de nouvelles électrodes composites à base de carbone et de silicium pour une application dans des condensateurs électrochimiques à double couche et dans les électrodes de batterie au lithium-ion, respectivement, en utilisant la combinaison de la chimie du diazonium et celle de la polymérisation radicalaire. L'approche permet d'obtenir une direction pour trouver des solutions pour plusieurs facettes plutôt qu'un problème spécifique dans les matériaux d'électrode respectifs. Les méthodes utilisées nous permettent de préparer des matériaux d'électrodes sur lesquels des macromolécules organiques sont liées de façon covalente, qui peuvent avoir directement ou indirectement de multiples fonctions telles que l'auto-adhérence des particules qui peuvent améliorer l'efficacité d'adhérence, permettre une meilleure accommodation des contraintes mécaniques provoquées par la désintégration de la matrice d'électrode composite, adapter les changements de volume du matériau actif pendant le cyclage avec une homogénéité améliorée et une fixation covalente du composant adhésif, fonctionnant comme une interface artificielle solide-électrolyte (en agissant comme couche protectrice et évite le contact direct entre le matériau actif et l'électrolyte) et permet d'éviter l'utilisation des additifs, sert de couche de passivation pour la surface du silicium très réactif, simplifiant ainsi le traitement et le stockage de telles électrodes, augmente la proportion du matériau actif tout en minimisant le rapport des composants électrochimiquement inactifs et permettant finalement d'obtenir une anode de silicium avec une amélioration des performances électrochimiques. On constate également que l'utilisation d'une petite quantité de graphène comme additif conducteur avec le matériau actif modifié en silicium peut améliorer considérablement la conductivité électronique, la cyclabilité et les propriétés mécaniques de l'électrode composite correspondante. De même, l'approche permet d'obtenir une électrode composite à base de carbone avec des performances électrochimiques améliorées dans un électrolyte aqueux doux principalement en aidant à adapter l'interface électrode/électrolyte et à augmenter la mouillabilité du film d'électrode. Par conséquent, cette option est une approche intéressante et holistique pour la conception d'anode à base de silicium et des électrodes à base de carbone pour les batteries au lithium-ion et les supercondensateurs.
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MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : stockage d’énergie électrochimique, batterie au lithium-ion, supercondensateur, électrode, silicium, carbone, fonctionnalisation de surface, chimie du diazonium, polymérisation radicalaire, liant, additif conducteur, acide polyacrylique, graphène.
| Type: |
Thèse ou essai doctoral accepté
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| Informations complémentaires: |
La thèse a été numérisée telle que transmise par l'auteur. |
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Directeur de thèse: |
Bélanger, Daniel |
| Mots-clés ou Sujets: |
Stockage d'énergie / Électrodes / Carbone / Silicium / Batteries au lithium-ion / Condensateurs électrochimiques / Supercondensateurs |
| Unité d'appartenance: |
Faculté des sciences > Département de chimie |
| Déposé par: |
Service des bibliothèques
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| Date de dépôt: |
22 mars 2022 12:54 |
| Dernière modification: |
22 mars 2022 12:54 |
| Adresse URL : |
http://archipel.uqam.ca/id/eprint/15301 |
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