Tannins for Green Electrochemical Energy Storage - A Comparative Study

Les préoccupations environnementales croissantes du début du siècle ont stimulé les investissements dans les énergies renouvelables et les véhicules électriques. L'intermittence des premières et l'abondance des seconds ont exercé une pression considérable sur la demande de stockage électrochimique de l'énergie. Les produits commerciaux actuels dépendent de matériaux inorganiques, entraînant des problèmes environnementaux et de disponibilité des ressources. La nécessité de développer des options basées sur des matériaux organiques, biosourcés et abondants est donc pressante, mais la faible conductivité et stabilité moyenne de la plupart des candidats ainsi que la difficulté de trouver un collecteur de courant efficace et sans métaux entravent leur développement. Dans ce mémoire, nous étudions 5 représentants de la famille des tannins (catéchine, pyrogallol, acide tannique, epicatéchine, et gallate d'epicatéchine) et comparons leurs capacités de stockage de charge. Ces 5 tannins ont été choisis pour (i) la similarité de leurs structures : des polyphénols capables de s'oxyder de manière réversible en quinones, et (ii) leurs différences significatives, témoignant de la grande variété et du grand nombre de candidats de cette famille : taille, réactivité et complexité de la structure. A partir de cet échantillon de 5 molécules, nous proposons une méthode générale pour évaluer et exploiter les propriétés de stockage d'énergie électrochimique des tannins. En exploitant la solubilité aqueuse de ces molécules, des solutions concentrées (eau/éthanol 2:1) de chaque tannin sont déposées sur des électrodes de carbone afin d'améliorer leur capacité de stockage par des processus d'oxydoréduction réversibles en surface. L'électrode de carbone servant de substrat est préalablement traitée à l'aide d'une méthode d'activation acide et thermique afin d'augmenter sa surface et d'introduire un dopage de surface en O, N, S et P. L'augmentation de la surface améliore non seulement la capacité électrochimique à double couche de l'électrode de carbone sans tannins, mais permet également de déposer une couche plus fine de tannins pour la même masse totale, ce qui conduit à des processus limités en surface plutôt qu'en diffusion. Le dopage a pour effet combiné d'améliorer la mouillabilité, permettant ainsi l'accès à une plus grande partie de la surface du carbone et d'améliorer la pseudo-capacité de l'électrode en carbone sans tannins en introduisant des espèces électroactives.