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Thèse Année : 2022

Études électrochimiques des interfaces fonctionnelles et nanomatériaux pour le stockage de l’énergie : du supercabatterie au water splitting

Electrochemical investigation of functional interfaces and nanomaterials for energy storage : from supercabattery to water splitting

Résumé

The major challenge of the 21st century is global warming due to decades of massive industrialization using fossil fuels. This awareness of these environmental issues has been translated into political commitments made at the 2015 Paris Conference on Climate Change (COP21). Thus, the development of renewable energies is becoming an absolute priority for our society. In this context, it is essential to develop sustainable energy production and storage systems. Among the devices that can meet this challenge, electrochemical energy storage systems such as batteries, fuel cells, and supercapacitors play an essential role. The key element for developing sustainable energy storage is the study of the materials used for the elaboration of the electrode because the materials' nature conditions the device's efficiency. Indeed, electrochemical energy storage systems involve electrochemical reactions taking place on the electrodes. It is then important to optimize the performances, such as the capacity to store charges and the catalytic properties. Moreover, the materials chosen must be abundant and inexpensive and respect environmental constraints. In order to improve the performance of electrochemical energy storage systems, we are witnessing the emergence of a hybrid device combining the properties of batteries (high energy, but low power) and supercapacitors (high power, but low energy). This is the supercapacitor which allows for obtaining high power and energy. These properties will result in a device with a longer lifetime and pulse power. The application of the supercabattery is mainly electric or hybrid vehicles. Still, in the need for energy for transportation, we can mention hydrogen fuel cells that require a sustainable approach to hydrogen production. Water electrolysis is an exciting approach for hydrogen production using surplus energy from renewable energy sources such as solar or wind power. However, the kinetics are slow and require high activation energy. Thus, it is crucial to develop catalysts for the hydrogen evolution reaction (HER) and the oxygen evolution reaction (OER), which are the reactions involved in water electrolysis. Another much-studied reaction is the oxygen reduction reaction (ORR) for applying metal-air batteries
Le défi important du XXIe siècle est le réchauffement climatique dû à des décennies d'industrialisation massive en utilisant des énergies fossiles. Cette prise de conscience sur ces questions environnementale s’est traduite par les engagements politiques pris lors de la conférence de Paris de 2015 sur les changements climatiques (COP21). Ainsi, le développement des énergies renouvelables devient une priorité absolue pour notre société. Dans ce contexte, il est primordial de développer d’une manière durable des systèmes de production et de stockage d’énergie. Parmi les dispositifs pouvant répondre à ce défi, les systèmes de stockage d'énergie électrochimique comme les batteries, les piles à combustible et les supercondensateurs jouent un rôle important. L'élément clé pour le développement du stockage d'énergie durable est l'étude des matériaux utilisés pour l'élaboration de l'électrode, car la nature des matériaux conditionne l'efficacité du dispositif. En effet, les systèmes de stockage d'énergie électrochimique mettent en jeu des réactions électrochimiques se déroulant sur les électrodes. Il est alors important d’optimiser les performances telle la capacité à stocker des charges et les propriétés catalytiques. De plus, les matériaux choisis doivent être non seulement abondants et peu onéreux, mais également respectant les contraintes environnementales. Afin d’améliorer les performances des systèmes électrochimiques de stockage d’énergie, on assiste à l'émergence d'un dispositif hybride combinant les propriétés des batteries (énergie élevée, mais faible puissance) et des supercondensateurs (forte puissance, mais faible énergie). Il s’agit de la supercabatterie qui permet d’obtenir une puissance et une énergie élevées. Ces propriétés permettront d'obtenir un appareil doté d’une durée de vie et d’une puissance d'impulsion plus longues. L'application de la supercabatterie est principalement les véhicules électriques ou hybrides. Toujours dans le besoin d’énergie pour le transport, on peut citer les piles à combustible à l’hydrogène qui nécessitent une approche durable pour la production de l’hydrogène. L’électrolyse de l’eau est une approche intéressante pour la production d’hydrogène en utilisant le surplus d’énergie obtenue par des sources d’énergies renouvelables telles que l’énergie solaire ou éolienne. Cependant, les cinétiques sont lentes et demandent une énergie d’activation élevée. Ainsi, il est important de développer des catalyseurs pour la réaction de dégagement d'hydrogène (HER) et la réaction de dégagement d'oxygène (OER) qui sont les réactions impliquées dans l’électrolyse de l'eau. Une autre réaction très étudiée est la réaction de réduction de l'oxygène (ORR) pour l'application de batteries de type métal-air
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04498114 , version 1 (11-03-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04498114 , version 1

Citer

Christine Ranjan. Études électrochimiques des interfaces fonctionnelles et nanomatériaux pour le stockage de l’énergie : du supercabatterie au water splitting. Material chemistry. Université Paris Cité, 2022. English. ⟨NNT : 2022UNIP7309⟩. ⟨tel-04498114⟩
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