Développement d'un condensateur électrochimique en milieu acide ou neutre à base d'oxyde de manganèse modifié par l'acide silicotungstique sur un support de graphite

La consommation énergétique mondiale a subi une augmentation considérable pendant ces dernières années en raison de la forte demande industrielle, le développement accru de l’électronique et l’explosion démographique. Actuellement, plus de 80% des besoins énergétiques sont assurés par des combustibles fossiles tandis que ces dernières sont grandement responsables des émissions de gaz à effet de serre et du réchauffement climatique. En plus des effets néfastes sur l’environnement s’ajoutent le potentiel risque d’épuisement des réserves et la volatilité des marchés mondiaux du pétrole. Par conséquent, une alternative telle que les énergies renouvelables et durables (éolienne et solaire) s’impose. En raison du caractère intermittent de ces formes d’énergie, il est nécessaire de mettre en place des systèmes de stockage d’énergie. De plus le secteur du transport notamment les véhicules électriques a beaucoup contribué dans le développement des moyens de stockage d’énergie électrique comme les batteries et les condensateurs électrochimiques. D’ailleurs, dans cette thèse, les recherches menées s’appliquent au condensateur électrochimique. Il est un dispositif qui permet de stocker de l'énergie sous forme de charges électrostatiques et/ou à l’aide de réactions redox rapides et réversibles. Cependant, dans le cadre de cette thèse l'oxyde de manganèse (MnO2) dopé à l’aide de l'acide silico-tungstique (STA) est utilisé en tant que matériaux actifs d’électrode pour le développement de supercondensateur en milieu acide et neutre. Ce travail de recherche a permis de publier deux articles scientifiques. Le premier article est consacré à la synthèse par la méthode de coprécipitation des échantillons à base de poudre de MnO2 modifié avec du STA (0%, 5% et 10% de STA). Ces dernières sont soumises à différentes techniques de caractérisation notamment la diffraction des rayons X, la microscopie électronique à balayage, la spectroscopie dispersive d'électrons, les analyses Brunauer-Emmet-Teller et les mesures électrochimiques. Par exemple, la surface spécifique a respectivement augmenté de 21% et 16% pour les échantillons avec 5% STA et 10% STA tandis qu’une amélioration respective de 8% et 254% est observée pour le volume mésoporeux par rapport aux poudres de MnO2 sans STA. Les tests de voltammétrie cyclique ont démontré une meilleure capacité spécifique pour les échantillons avec 10% de STA.

Abstract

Global energy consumption has risen sharply in recent years as a result of strong industrial demand, increased development of electronics and the population explosion. At present, over 80% of energy needs are met by fossil fuels, which are largely responsible for greenhouse gas emissions and global warming. In addition to the harmful effects on the environment, there is the potential risk of reserves running out and the volatility of world oil markets. As a result, an alternative such as renewable and sustainable energies (wind and solar) is needed. Given the intermittent nature of these forms of energy, energy storage systems need to be put in place. In addition, the transport sector, particularly electric vehicles, has made a major contribution to the development of electrical energy storage systems such as batteries and electrochemical capacitors. In this thesis, the research carried out applies to the electrochemical capacitor. It is a device that can store energy in the form of electrostatic charges and/or using rapid and reversible redox reactions. However, in this thesis, manganese oxide (MnO2) doped with silico-tungstic acid (STA) is used as an active electrode material for the development of supercapacitors in acidic and neutral environments. This research work has led to the publication of two scientific articles. The first paper is devoted to the synthesis, using the co-precipitation method, of samples based on MnO2 powder modified with STA (0%, 5% and 10% STA). The samples were subjected to various characterisation techniques, including X-ray diffraction, scanning electron microscopy, electron dispersive spectroscopy, Brunauer-Emmet-Teller analysis and electrochemical measurements. For example, the specific surface area increased by 21% and 16% respectively for samples with 5% STA and 10% STA, while an improvement of 8% and 254% respectively was observed for the mesoporous volume compared with MnO2 powders without STA. Cyclic voltammetry tests showed a better specific capacity for samples with 10% STA. In fact, the latter revealed a specific capacitance 419% higher than that of pure MnO2 with 181 F g-1 over a potential range of 0 to 0.5 V with a sweep rate of 5 mV/s. in the 0.5 M K2SO4 solution as electrolyte. An increase of more than 448% is also noted with the powder doped with 10% STA compared with MnO2 without STA with a capacity of 213 F/g for a speed of 10mV/s. The second paper applied various characterisation techniques to MnO2 powders with or without STA, including infrared spectroscopy, thermogravimetry, X-ray photoelectron spectroscopy, cyclic voltammetry, galvanostatic charge-discharge and electrochemical impedance spectroscopy.