Constellation, le dépôt institutionnel de l'Université du Québec à Chicoutimi

Résumé

The switch from conventional fossil-based fuel to renewable and environmentally demand for energy storage devices with high power and energy density properties. Like many countries, Quebec, Canada will ban the gasoline-powered automobile by the year 2035 to make way for electric cars. Thus, the search for high-performance energy storage devices has become pertinent now more than ever. In recent times, supercapacitors have surfaced as propitious energy storage technology to bridge the energy and power density gap of traditional energy storage devices such as dielectric capacitors and batteries. Nevertheless, while the energy density of supercapacitors is higher than conventional capacitors, it is considerably lower than that of batteries and fuel cells. To meet the practical requirements of energy storage devices, it is desirable to fabricate supercapacitors with high capacitance nanostructured electrode materials, having high specific surface area, high energy density, long cycle stability, and lower cost. In this research, nanostructured supercapacitor electrode materials have been designed and synthesized using chemical precipitation and electrodeposition processes, and their electrochemical properties were evaluated. A comparison of the results has shown the electrochemical route to be efficient in synthesizing nanostructured materials with high capacitance close to theoretical values. Hence, this thesis is predominantly focused on nanostructured supercapacitor electrode materials fabricated through electrochemical process. The first strategy is the fabrication of NiO and Co3O4 electrode materials by a simple, cost-effective chemical precipitation synthesis route. The fabricated electrodes delivered a maximum specific capacitance of 40 F/g and 28 F/g at a specific current of 1 A/g for the NiO and Co3O4 electrodes respectively. However, the obtained specific capacitance values were far below the expected theoretical capacitance of NiO (2573 F/g) and Co3O4 (3560 F/g). The second strategy involves optimizing the electrochemical process for the fabrication of Ni-NiO, Co-Co3O4, and Ag/ Co-Co3O4 nanocomposite thin films using a novel technique that combines cyclic voltammetry and pulse reverse electrodeposition techniques. Crystallinity and morphological features of the deposited films, driven by the electrolyte concentration with molar variations and the electrodeposition modes have been found to influence specific capacitance performance. The fabricated Ni-NiO, Co-Co3O4, and Ag/Co-Co3O4 nanocomposite thin film electrodes obtained high specific capacitance values of 2000 F/g, 2580 F/g, and 2800 F/g at a specific current of 1 A/g respectively. The fabricated electrodes also exhibited long-term stability after ~1000 repeated charge-discharge cycles, showing capacitance retention values of 98.6 %, 78.2 %, and 82.6 % for Ni-NiO, Co-Co3O4, and Ag/Co-Co3O4 electrodes, respectively at 20 A/g. In the final strategy, the use of aluminum as a substrate has been valorized by modifying AA6061 aluminum alloy mesh using a coating of nickel. Furthermore, polypyrrole coating as active material on the modified aluminum mesh was performed using a simple cost-effective potentiostatic electrodeposition technique. The polypyrrole-coated nickel-modified aluminum compared to a polypyrrole-coated stainless-steel mesh has shown superior performance by providing a specific capacitance of ~100 Fg-1 at an applied specific current of 1 Ag-1 with an excellent conductivity revealed by a small equivalence series resistance of 0.18 Ω.cm2. The obtained results and observations have shown that the morphology driven by the type of substrate influences the supercapacitor performance of polypyrrole-based electrodes. The results obtained in this thesis have demonstrated that the novel combined cyclic voltammetry and pulse reverse electrodeposition technique presents an efficient and cost-effective method for developing high-performing nanostructured electrode materials for practical applications in supercapacitor energy storage devices.

Le remplacement des combustibles fossiles classiques par des sources d'énergie renouvelables et respectueuses de l'environnement, en raison de l'empreinte carbone élevée de ces dernières, a entraîné une demande accrue de dispositifs de stockages d'énergie présentant des propriétés de puissance et de densité énergétique élevées. Comme de nombreux pays, le Québec (Canada) interdira les voitures à essence d'ici 2035 pour laisser la place aux voitures électriques. La recherche de dispositifs de stockage d'énergie performants est donc plus que jamais d'actualité. Ces derniers temps, les supercondensateurs sont apparus comme une technologie de stockage d'énergie propice pour combler le fossé de la densité d'énergie et de puissance des dispositifs de stockage d'énergie traditionnels tels que les condensateurs diélectriques et les batteries. Néanmoins, si la densité d'énergie des supercondensateurs est supérieure à celle des condensateurs classiques, elle est considérablement inférieure à celle des batteries et des piles à combustible. Pour répondre aux exigences pratiques des dispositifs de stockage d'énergie, il est souhaitable de fabriquer des supercondensateurs avec des matériaux d'électrode nanostructurés à haute capacité, présentant une surface spécifique élevée, une densité d'énergie élevée, une longue stabilité de cycle et un coût réduit. Comme de nombreux pays, le Canada (Québec) interdira les voitures à essence d'ici 2035 pour laisser la place aux voitures électriques. La recherche de dispositifs de stockage d'énergie performants est donc plus que jamais d'actualité. Ces derniers temps, les supercondensateurs sont apparus comme une technologie de stockage d'énergie propice pour combler le fossé entre la densité d'énergie et la de puissance des dispositifs de stockage d'énergie traditionnels tels que les condensateurs diélectriques et les batteries. Néanmoins, si la densité d'énergie des supercondensateurs est supérieure à celle des condensateurs classiques, elle est considérablement inférieure à celle des batteries et des piles à combustible. Pour répondre aux exigences pratiques des dispositifs de stockage d'énergie, il est souhaitable de fabriquer des supercondensateurs avec des matériaux d'électrode nanostructurés à haute capacité présentant une surface spécifique élevée, une densité d'énergie élevée, une longue stabilité de cycle et un coût réduit. Dans cette recherche, des matériaux d'électrode de supercondensateur nanostructurés ont été conçus et synthétisés à l'aide de procédés hydrothermiques et d'électrodéposition et leurs propriétés électrochimiques ont été évaluées. Une comparaison des résultats a montré que la voie électrochimique est la plus efficace pour synthétiser des matériaux nanostructurés avec une capacité élevée proche des valeurs théoriques. Par conséquent, cette thèse est principalement axée sur les matériaux d'électrodes de supercondensateur nanostructurés fabriqués par le biais du processus électrochimique. La première stratégie consiste à fabriquer des matériaux d'électrode de NiO et de Co3O4 par une voie de synthèse par précipitation chimique simple et rentable. Les électrodes fabriquées ont fourni une capacité spécifique maximale de 40 F/g et 28 F/g à un courant spécifique de 1 A/g pour les électrodes NiO et Co3O4 respectivement. Cependant, les valeurs de capacité spécifique obtenues étaient bien en dessous de la capacité théorique attendue de NiO (2573 F/g) et de Co3O4 (3560 F/g). La deuxième stratégie consiste à optimiser le processus électrochimique pour la fabrication de films minces nanocomposites Ni-NiO, Co-Co3O4 et Ag/Co-Co3O4 en utilisant une nouvelle technique qui combine la voltamétrie cyclique et les techniques d'électrodéposition inverse pulsée. Il a été constaté que la cristallinité et les caractéristiques morphologiques des films déposés, entraînées par la concentration d'électrolyte avec des variations molaires et les modes d'électrodéposition, influencent les performances de capacité spécifiques. Les électrodes à couches minces nanocomposites Ni-NiO, Co-Co3O4 et Ag/Co-Co3O4 fabriquées ont obtenu des valeurs de capacité spécifiques élevées de 2000 F/g, 2580 F/g et 2800 F/g à un courant spécifique de 1 A/g respectivement. Les électrodes fabriquées ont également montré une stabilité à long terme après environ 1000 cycles de charge décharge répétés, montrant des valeurs de rétention de capacité de 98,6 %, 78,2 % et 82,6 % pour les électrodes Ni-NiO, Co-Co3O4 et Ag/Co-Co3O4, respectivement à 20 A/g. Dans la stratégie finale, l'utilisation de l'aluminium comme substrat a été valorisée en modifiant la maille d'alliage d'aluminium AA6061 en utilisant un revêtement de nickel. De plus, le revêtement de polypyrrole comme matériau actif sur la maille d'aluminium modifiée a été réalisé en utilisant une technique simple et économique d'électrodéposition potentiostatique. L'aluminium modifié au nickel revêtu de polypyrrole, comparé à une maille en acier inoxydable revêtue de polypyrrole, a montré des performances supérieures en fournissant une capacité spécifique de ~100 F/g à un courant spécifique appliqué de 1 A/g avec une excellente conductivité révélée par une petite résistance série d'équivalence de 0,18 Ω.cm2. Les résultats obtenus et les observations ont montré que la morphologie pilotée par le type de substrat influence les performances des supercondensateurs des électrodes à base de polypyrrole. Les résultats obtenus dans cette thèse ont démontré que la nouvelle technique combinée de voltampérométrie cyclique et d'électrodéposition inverse pulsée présente une méthode efficace et rentable pour développer des matériaux d'électrode nanostructurés performants pour des applications pratiques dans les dispositifs de stockage d'énergie à supercondensateur.