Synthèses innovantes et caractérisation de nanocomposites et d’oxydes lamellaires à base de Mn-Co-Fe pour supercondensateurs

Abstract

Ce travail visait à développer de nouveaux matériaux d'électrode pour les supercondensateurs, qui, dans le contexte actuel d'expansion des énergies renouvelables, sont des dispositifs incontournables capables de stocker/délivrer de l'énergie à forte puissance. Des stratégies d'ingéniérie et de synthèse de matériaux originales (exfoliation/réempilement de feuillets, nanostructuration en milieu liquide ionique ou échange ionique) ont été mises en oeuvre : i) Exfoliation/réempilement d’oxyhydroxydes de cobalt et de manganèse où l’impact de la morphologie a été étudié. C’est en combinant des voiles d’oxydes de manganèse de type birnessite avec des nanoplaquettes d’oxyhydroxyde de cobalt que les meilleures performances sont obtenues, notamment grâce un mélange très intime entre les nanoobjets et une surface spécifique supérieure aux composés initiaux. Le composite Mn-Co démontre un effet de synergie en atteignant une capacité supérieure à la capacité théorique calculée sur la base des capacités des 2 matériaux initiaux et également supérieure à celle du composé initial au manganèse, ii) Nanostructuration d’oxyhydroxydes de cobalt en milieu liquide ionique de type imidazolium bromure où l’influence de la chaine alcane du liquide ionique a été étudiée. De plus, le liquide ionique vient, non seulement nanostructurer, mais également fonctionnaliser l’oxyhydroxyde de cobalt, donnant naissance à un matériau hydride. C’est avec la chaine alcane la plus longue à 10 carbones que les meilleures performances sont atteintes avec 42 mAh.g-1, iii) Matériaux de type birnessite à feuillets mixte manganèse-fer, où le fer a été intégré à la birnessite par synthèse céramique et par échange ionique. En combinant plusieurs spectroscopies, le fer a ainsi été localisé exclusivement au sein du feuillet de manganèse dans les matériaux préparés par voie céramique, et à la fois dans le feuillet et entre les feuillets de manganèse dans les matériaux obtenus par échange ionique. Ainsi par voie céramique, les ratios élevés en fer améliorent significativement la capacité en atteignant plus de 35 mAh.g-1 avec 15% de fer contre 25 mAh.g-1 pour la birnessite sans fer. La voie échange conduit à une capacité 10 fois supérieure à celle de la birnessite de départ, mais la capacité s’effondre au cours des cycles.