Résumé - Ixarm

Etude de carbones microporeux pour
supercondensateurs de haute densité d’énergie
Julie Ségalini, Pierre-Louis Taberna, Patrice Simon
Université Paul Sabatier Toulouse III, CIRIMAT
118 Route de Narbonne, Bâtiment 2R1 - 31062 Toulouse
Les supercondensateurs sont des systèmes de stockage électrochimique de l’énergie dont les
performances en termes de densité de puissance et d’énergie sont comprises entre les accumulateurs
électrochimiques et les condensateurs diélectriques. L’atout majeur des supercondensateurs est leur
grande puissance spécifique qui a pu être optimisée grâce à de récents travaux [1]. Bien que leur
densité d’énergie ait récemment connue une importante amélioration [2], l’augmentation de la
capacité de ces systèmes est le principal enjeu aujourd’hui. Dans cette optique, cette thèse consiste à
comprendre les mécanismes de stockage des charges dans les supercondensateurs.
Dans ces systèmes, la charge est stockée non pas par réaction rédox mais par électrostatique :
les ions d’un électrolyte migrent et s’adsorbent à la surface des électrodes composées de carbones
poreux de très grande surface spécifique (1500 m²/g). Généralement, ces électrodes de carbone
possèdent une porosité comprise entre 2 et 20 nm, cependant il a récemment été montré qu’on
doublait la densité d’énergie volumique des supercondensateurs [2] avec des Carbones Dérivés de
Carbures (CDCs) qui possèdent une porosité contrôlée inférieure au nanomètre (micropores).
L’hypothèse avancée est que les ions, qui en solution sont entourés de molécules de solvant, doivent
être partiellement désolvatés pour atteindre les micropores (la taille de l’ion solvaté étant supérieure
à 1 nm). A l’issue de cette étonnante découverte, des études électrochimiques réalisées au sein du
laboratoire ont confirmé la désolvatation partielle des ions dans les micropores et mis en évidence
l’effet de tamisage [3,4]. De plus, il a été montré en utilisant des liquides ioniques solvatés qu’on
obtenait une extra-capacité lorsque la taille des pores est très proche de celle des ions [5]. Afin de
compléter ces résultats nous avons particulièrement étudié le transport ionique dans les micropores
de carbone par Spectroscopie d’Impédance Electrochimique (SEI) [6]. Cette étude a permis de
confirmer que la relation entre la taille des pores de carbone et la taille des ions de l’électrolyte
influence la densité de charges stockées et donc la capacité spécifique. D’autre part, il a été montré
que même de très petits pores (~0.68nm) permettent d’obtenir un excellent comportement capacitif
en sélectionnant une taille effective d’ion inférieure ou égale à la taille des pores. Cependant, lorsque
la taille des ions excède celle des pores, les déformations observées sur les voltammogrammes
témoignent d’une limitation d’adsorption des ions dans les petits pores. Cette étude a mis en
évidence l’effet stérique impliqué lorsque les ions sont adsorbés dans les pores.
Dans le but d’approfondir les recherches sur les mécanismes d’adsorption des ions dans les
pores, les perspectives envisagées sont des caractérisations par Diffraction des Rayons X (DRX) ou
Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) in-situ, c'est-à-dire avec application d’un champ électrique
entre les électrodes lors des mesures. Ces techniques permettront de connaître la structure de la
double couche électrochimique qui est formée à la surface des électrodes de carbone lors du
stockage des charges dans les supercondensateurs.
[1] C. Portet, P.L. Taberna, P. Simon, C. Laberty-Robert, Electrochimica Acta 49, 905-912 (2004)
[2] J. Chmiola, G. Yushin, Y. Gogotsi, C. Portet, P. Simon, P.-L. Taberna, Science 313, 1760-1763 (2006)
[3] C. Largeot, C. Portet, J. Chmiola, P.-L. Taberna, Y. Gogotsi, P. Simon, Journal of the American Chemical Society
130, 2730 (2008)
[4] Lin, P.L. Taberna, J. Chmiola, D. Guay, Y. Gogotsi, and P. Simon, Journal of The Electrochemical Society 156, A7A12 (2009)
[5] R. Lin, P. Huang, J. Segalini, C. Largeot, P.L. Taberna, J. Chmiola, Y. Gogotsi, P. Simon, Electrochimica Acta, 54,
7025 (2009)
[6] J. Segalini, B. Daffos, P.L. Taberna, Y. Gogotsi, P. Simon, Electrochimica Acta 55, 7489–7494 (2010)