Yuan ZHANG
Soutenance : 2 juillet 2020 à 10h00
Amphithéâtre de l’IRI – Villeneuve d’Ascq
Jury :
- Rabah BOUKHERROUB, DR1, Université de Lille, Directeur de thèse
- Sorin MELINTE, Professeur des Universités, Université Catholique de Louvain ELEN, Examinateur
- Sabine SZUNERITS, Professeur des Universités, Université de Lille, CoDirecteur de thèse
- Thierry DJENIZIAN, Professeur des Universités, MINES Saint-Etienne Centre microelectronique de Provence, Rapporteur
- Mathieu MORCRETTE, Ingénieur de recherche, Laboratoire de Réactivité et Chimie des Solides, Examinateur
- NATHALIE JOB, Professeur des Universités, Department of Chemical Engineering / Ingéniérie électrochimique : matériaux et procédés pour la transformation et le stockage d’énergie, Rapporteur
Résumé :
Ces dernières années, les supercondensateurs électrochimiques (SE), en tant que systèmes de stockage d’énergie respectueux de l’environnement, sont confrontés à plusieurs défis liés aux performances, à la fonctionnalité et à la durabilité des matériaux clés. Il a été largement reconnu que les matériaux d’électrode avancés, y compris les électrodes à base de métaux de transition tels que les sulfures métalliques, les oxydes / hydroxydes, les séléniures et les phosphures, etc., ont la capacité de stocker beaucoup plus d’énergie que les matériaux carbonés, en raison du processus de transfert de charge faradique impliqués dans le processus électrochimique. Par conséquent, ces matériaux d’électrode à base de métaux de transition ont été largement étudiés dans le but de surmonter les défis majeurs cités ci-dessus et de réaliser des percées dans les applications pratiques.
Dans cette thèse de doctorat, une revue générale sur les SE, comprenant un bref historique, les structures, le principe de stockage d’énergie, les caractéristiques et les matériaux d’électrode, permet de mieux comprendre les critères d’évaluation des performances de différents types de SE ainsi que les différents mécanismes de stockage d’énergie des matériaux d’électrode. Les données de la littérature ont révélé que la combinaison de condensateurs électrochimiques à double couche (EDLC) (matériaux carbonés), et des caractéristiques de type batterie faradique (matériaux d’électrodes à base de métaux de transition) représente une configuration attrayante et prometteuse pour atteindre des performances élevées, en raison du stockage d’énergie élevé des batteries, et la puissance élevée et la longue durée de vie des EDLC. Ainsi, le développement de deux types de matériaux d’électrodes avec des performances améliorées par rapport aux matériaux d’électrodes existants est l’approche la plus importante pour surmonter ces défis (Chapitre 1).
Parmi les matériaux d’électrodes à base de métaux de transition, le sulfure de cobalt (CoSx), un matériau d’anode prometteur pour les batteries au lithium (LIB), présentant des états à valence multiple et une capacité théorique de 870 mA h g-1, a attiré notre attention. Dans le Chapitre 2, nous décrirons la préparation des matériaux d’électrodes à base Ces dernières années, les supercondensateurs électrochimiques (SE), en tant que systèmes de stockage d’énergie respectueux de l’environnement, sont confrontés à plusieurs défis liés aux performances, à la fonctionnalité et à la durabilité des matériaux clés. Il a été largement reconnu que les matériaux d’électrode avancés, y compris les électrodes à base de métaux de transition tels que les sulfures métalliques, les oxydes / hydroxydes, les séléniures et les phosphures, etc., ont la capacité de stocker beaucoup plus d’énergie que les matériaux carbonés, en raison du processus de transfert de charge faradique impliqués dans le processus électrochimique. Par conséquent, ces matériaux d’électrode à base de métaux de transition ont été largement étudiés dans le but de surmonter les défis majeurs cités ci-dessus et de réaliser des percées dans les applications pratiques.
Dans cette thèse de doctorat, une revue générale sur les SE, comprenant un bref historique, les structures, le principe de stockage d’énergie, les caractéristiques et les matériaux d’électrode, permet de mieux comprendre les critères d’évaluation des performances de différents types de SE ainsi que les différents mécanismes de stockage d’énergie des matériaux d’électrode. Les données de la littérature ont révélé que la combinaison de condensateurs électrochimiques à double couche (EDLC) (matériaux carbonés), et des caractéristiques de type batterie faradique (matériaux d’électrodes à base de métaux de transition) représente une configuration attrayante et prometteuse pour atteindre des performances élevées, en raison du stockage d’énergie élevé des batteries, et la puissance élevée et la longue durée de vie des EDLC. Ainsi, le développement de deux types de matériaux d’électrodes avec des performances améliorées par rapport aux matériaux d’électrodes existants est l’approche la plus importante pour surmonter ces défis (Chapitre 1).
Parmi les matériaux d’électrodes à base de métaux de transition, le sulfure de cobalt (CoSx), un matériau d’anode prometteur pour les batteries au lithium (LIB), présentant des états à valence multiple et une capacité théorique de 870 mA h g-1, a attiré notre attention. Dans le Chapitre 2, nous décrirons la préparation des matériaux d’électrodes à base de CoS par précipitation chimique combinée à un processus d’échange d’ions, évaluerons leurs performances électrochimiques et identifierons leurs limites. Sur la base de la discussion sur les matériaux d’électrodes comprenant des métaux de transition, la préparation de matériaux composites ou de composés multi-métaux représente une stratégie très prometteuse pour atteindre des performances électrochimiques améliorées. Par conséquent, nous avons étudié les performances électrochimiques des matériaux d’électrodes composites (CoS/rGO, CoS/PF-9) en introduisant différents types de matrices carbonées conductrices (oxyde de graphène réduit (rGO) et poly-éthylènedioxythiophène (PEDOT) -Fe-900 ° C (PF-9)).
La performance des matériaux d’électrodes composites ainsi synthétisés a été évaluée en utilisant différentes techniques électrochimiques et les résultats ont révélé que les matériaux présentaient une performance électrochimique améliorée, mais reste insuffisante pour des applications envisagées. Par conséquent, dans l’étape suivante, nous avons examiné les performances électrochimiques des sulfures multi-métaux en introduisant différents cations métalliques. Le ZnS, un matériau à large bande interdite (3,5-3,8 eV), a attiré notre attention. En raison de la capacité théorique élevée de CoSx, le matériau d’électrode ZnCoS a été synthétisé en introduisant du Co dans le réseau ZnS. Les caractérisations électrochimiques ont révélé une performance remarquable de ZnCoS (Chapitre 3).
Dans le Chapitre 4, nous avons préparé et examiné les propriétés de stockage d’énergie de matériaux à base de sulfure de nickel, en raison de leurs riches états d’oxydation et de leur capacité théorique élevée (873 mA h g-1 pour NiS2). La préparation de sulfures / séléniures bimétalliques à base de Ni s’est avérée intéressante pour améliorer la performance de ces matériaux d’électrodes. Par conséquent, des composites bimétalliques (ZnS / Ni3S2) ont été préparés et leurs performances ont été évaluées.
Sur la base de nos travaux antérieurs, les sulfures bimétalliques se sont révélés intéressants pour améliorer la performance électrochimique comparés aux sulfures mono-métalliques. De plus, les oxyhydroxydes de métaux de transition ont également été considérés comme matériaux d’électrodes les plus prometteurs. Par conséquent, des matériaux composites Sb2S3/CoS2/CrOOH ont été synthétisés et étudiés comme matériaux d’électrode pour les supercondensateurs. Les résultats ont indiqué que ces matériaux d’électrode peuvent atteindre une performance électrochimique améliorée (Chapitre 5).
Abstract :
In recent years, electrochemical supercapacitors (ESs), as environmentally-friendly energy storage systems, are facing several challenges associated with the performance, functionality and durability of key materials. It has been widely recognized that advanced electrode materials, including transition metal-based electrodes such as metal sulfides, oxides/hydroxides, selenides, and phosphides and so on, have the ability to store much more energy than carbon materials, owing to the faradaic charge transfer reactions involved in the electrochemical process. Therefore, these advanced transition metal-based electrode materials have been extensively studied with the aim to overcome the major challenges cited above and achieve breakthroughs in practical applications.
In this PhD thesis, a general review on ESs, including brief history and background, structures, energy storage principle, characteristic features and electrode materials, allows to gain a better understanding on the performance evaluation criteria of different types of ESs as well as different energy storage mechanisms of the corresponding electrode materials. From this review study, the literature data revealed that the combination of electrochemical double layer capacitors (EDLC), commonly carbon materials, and Faradaic battery-type characteristics (transition metal based electrode materials) represents an appealing and promising configuration to achieve high performance, owing to the high energy storage of batteries, and high power and long lifetime of EDLC. Thus, the development of two types of electrode materials with improved performances relative to existing electrode materials is the most important approach to overcome these challenges (Chapter 1).
Among various transition metal-based electrode materials, cobalt sulfide (CoSx), a promising anode material for lithium ion batteries, LIBs, exhibiting multi-valence states and a theoretical capacity of 870 mA h g-1, has attracted our attention. In chapter 2, we described the preparation of CoS based electrode materials by chemical precipitation and ion-exchange process, evaluated their electrochemical performance and identified their shortcomings. Based on the discussion on transition metal electrode materials, the construction of composites or multi-metal compounds is regarded as the most promising strategy to prepare electrode materials with improved electrochemical performance. Therefore, we investigated the electrochemical performance of composite electrode materials (CoS/rGO, CoS/PF-9) by introducing different types of conducting carbonaceous matrixes (reduced graphene oxide (rGO) and poly-ethylenedioxythiophene (PEDOT)-Fe-900 °C (PF-9)).
The performance of the synthesized composite electrode materials was assessed using different electrochemical techniques and the results revealed that the composite materials exhibited improved electrochemical performance, but not remarkable. Therefore, in the following step, we evaluated the electrochemical performance of multi-metal sulfides by introducing different metal cations. ZnS, a wide band gap material (3.5-3.8 eV), has attracted our attention. Owing to the high theoretical capacity of CoSx, ZnCoS electrode material was synthesized by introducing Co into the ZnS lattice and the results indicated that ZnCoS electrode material exhibited a remarkable electrochemical performance (Chapter 3).
In chapter 4, we have examined Ni-based sulfide electrode materials, owing to their rich oxidation states, high theoretical capacity (873 mA h g-1 for NiS2) and cost effectiveness. The preparation of Ni-based bimetal sulfides/selenides has proven to enhance their electrochemical performance as electrode materials. Therefore, bi-metal (ZnS/Ni3S2) composites were prepared and their performance was assessed.
Based on our previous work, bi-metal sulfides proved to exhibit an enhanced electrochemical performance than mono metal sulfides. In addition, transition metal oxy-hydroxides have also been regarded as one of the most promising electrode materials. However, little work was focused on employing the composites of transition-metal sulfides and oxides as electrode materials for SCs. Hence, Sb2S3/CoS2/CrOOH composite materials were synthesized and
In recent years, electrochemical supercapacitors (ESs), as environmentally-friendly energy storage systems, are facing several challenges associated with the performance, functionality and durability of key materials. It has been widely recognized that advanced electrode materials, including transition metal-based electrodes such as metal sulfides, oxides/hydroxides, selenides, and phosphides and so on, have the ability to store much more energy than carbon materials, owing to the faradaic charge transfer reactions involved in the electrochemical process. Therefore, these advanced transition metal-based electrode materials have been extensively studied with the aim to overcome the major challenges cited above and achieve breakthroughs in practical applications.
In this PhD thesis, a general review on ESs, including brief history and background, structures, energy storage principle, characteristic features and electrode materials, allows to gain a better understanding on the performance evaluation criteria of different types of ESs as well as different energy storage mechanisms of the corresponding electrode materials. From this review study, the literature data revealed that the combination of electrochemical double layer capacitors (EDLC), commonly carbon materials, and Faradaic battery-type characteristics (transition metal based electrode materials) represents an appealing and promising configuration to achieve high performance, owing to the high energy storage of batteries, and high power and long lifetime of EDLC. Thus, the development of two types of electrode materials with improved performances relative to existing electrode materials is the most important approach to overcome these challenges (Chapter 1).
Among various transition metal-based electrode materials, cobalt sulfide (CoSx), a promising anode material for lithium ion batteries, LIBs, exhibiting multi-valence states and a theoretical capacity of 870 mA h g-1, has attracted our attention. In chapter 2, we described the preparation of CoS based electrode materials by chemical precipitation and ion-exchange process, evaluated their electrochemical performance and identified their shortcomings. Based on the discussion on transition metal electrode materials, the construction of composites or multi-metal compounds is regarded as the most promising strategy to prepare electrode materials with improved electrochemical performance. Therefore, we investigated the electrochemical performance of composite electrode materials (CoS/rGO, CoS/PF-9) by introducing different types of conducting carbonaceous matrixes (reduced graphene oxide (rGO) and poly-ethylenedioxythiophene (PEDOT)-Fe-900 °C (PF-9)).
The performance of the synthesized composite electrode materials was assessed using different electrochemical techniques and the results revealed that the composite materials exhibited improved electrochemical performance, but not remarkable. Therefore, in the following step, we evaluated the electrochemical performance of multi-metal sulfides by introducing different metal cations. ZnS, a wide band gap material (3.5-3.8 eV), has attracted our attention. Owing to the high theoretical capacity of CoSx, ZnCoS electrode material was synthesized by introducing Co into the ZnS lattice and the results indicated that ZnCoS electrode material exhibited a remarkable electrochemical performance (Chapter 3).
In chapter 4, we have examined Ni-based sulfide electrode materials, owing to their rich oxidation states, high theoretical capacity (873 mA h g-1 for NiS2) and cost effectiveness. The preparation of Ni-based bimetal sulfides/selenides has proven to enhance their electrochemical performance as electrode materials. Therefore, bi-metal (ZnS/Ni3S2) composites were prepared and their performance was assessed.
Based on our previous work, bi-metal sulfides proved to exhibit an enhanced electrochemical performance than mono metal sulfides. In addition, transition metal oxy-hydroxides have also been regarded as one of the most promising electrode materials. However, little work was focused on employing the composites of transition-metal sulfides and oxides as electrode materials for SCs. Hence, Sb2S3/CoS2/CrOOH composite materials were synthesized and investigated as electrode materials for SCs. The results indicated that these electrode materials could achieve an enhanced electrochemical performance (Chapter 5)