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Lahrar, El Hassane. Simulations de l'adsorption des ions dans des carbones poreux modèles pour étudier les relations structure-performance dans les supercondensateurs

Lahrar, El Hassane (2020). Simulations de l'adsorption des ions dans des carbones poreux modèles pour étudier les relations structure-performance dans les supercondensateurs.

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Résumé en francais

Les supercondensateurs sont des systèmes de stockage d'énergie non faradiques. Leur processus de charge-décharge, de nature électrostatique, est basé sur l'adsorption-désorption d'ions de l'électrolyte à la surface des électrodes. Ceci permet aux supercondensateurs d'avoir une excellente performance en terme de puissance par rapport aux systèmes faradiques comme les batteries. En revanche, ils se caractérisent par une relativement faible densité d'énergie. Les supercondensateurs de type carbone - carbone, étudiés ici, utilisent des carbones poreux comme matériaux d'électrodes. L'examen des relations entre les caractéristiques de ces systèmes et leurs propriétés électrochimiques peuvent permettre de mieux les optimiser. Dans le passé, il a été montré que les ions pouvaient entrer dans des pores de taille sub-nanométrique, conduisant à une forte augmentation de capacité. Cette observation, depuis assez bien comprise, ne permet cependant pas de savoir s'il est possible d'obtenir des capacités encore plus grandes. En effet, en raison de la structure complexe des électrodes et de la nature de l'électrolyte (solution concentrée), il est difficile de prédire les performances électrochimiques de ces systèmes. Pour progresser, nous avons besoin d'une meilleure connaissance fondamentale du transport ionique et de la structure locale de l'électrolyte dans les pores. Dans cette thèse, nous avons réalisé des simulations de dynamique moléculaire classique pour déterminer les propriétés dynamiques et structurales de deux types de systèmes avec soit un carbone neutre soit deux électrodes de carbones en contact avec un liquide ionique. Nous nous sommes d'abord concentrés sur des carbones poreux de structure ordonnée. Ceci nous a permis de faire varier systématiquement certains descripteurs géométriques, tels que la taille des pores et la taille des ions. Nous avons déterminé les propriétés structurales et dynamiques et montré que les coefficients de diffusion des ions augmentent quand la taille de l'anion diminue et, de manière surprenante, quand la quantité d'ions adsorbés dans les pores augmente. Ces résultats ont pu être interprétés en termes de degrés de confinement. Nous avons également étudié l'influence de la présence de groupes fonctionnels de surface (-O et -H) sur les propriétés du liquide ionique confiné. Nous avons effectué des simulations avec des répliques de zéolite, de structure ordonnée, avec et sans groupes fonctionnels. Nos simulations montrent que les coefficients de diffusion des ions sont plus grands pour les carbones fonctionnalisés, en accord avec les résultats expérimentaux. L'influence relative du changement de structure et de la nature chimique du matériau a été étudiée en remplaçant les groupes fonctionnels par des atomes de carbones et a montré que, pour la quantité d'ions adsorbés, la structure a plus d'impact que les groupements fonctionnels, mais que pour les coefficients de diffusion, la nature chimique semble avoir une certaine importance. Enfin, nous avons réalisé des simulations pour deux supercondensateurs modèles, avec des électrodes de structures différentes mais ayant une même densité et une même taille de pore moyenne. L'un des supercondensateurs a des électrodes de structure régulière et l'autre a des électrodes de structure désordonnée. Les simulations montrent que le carbone régulier a une capacité plus grande que le carbone désordonné. L'analyse des charges portées par les atomes des électrodes et de la localisation des ions adsorbés indiquent que la faible capacité du carbone désordonné est liée à l'existence de nombreux carbones inaccessibles au liquide.

Sous la direction du :
Directeur de thèse
Simon, Patrice
Merlet, Céline
Ecole doctorale:Sciences de la matière (SdM)
laboratoire/Unité de recherche :Centre Interuniversitaire de Recherche et d'Ingénierie des MATériaux (CIRIMAT), UMR 5085
Mots-clés libres :Simulation - Dynamique moléculaire - Supercondensateur - Carbones nanoporeux - Interface électrode/électrolyte
Sujets :Sciences des matériaux
Déposé le :11 Dec 2020 13:27