Abdelouadoud GUERRA

Soutenance : 15 septembre 2020 à 10h00

Jury :

• Rabah BOUKHERROUB, DR1, Université de Lille, CoDirecteur de thèse
• Abderrahim RAMDANE, Directeur de recherche, Centre de Nanosciences et Nanotechnologies (C2N), Rapporteur
• Djoudi BOUHAFS, Directeur de recherche, Centre de Recherche en Technologie des Semi-conducteurs pour l’Energitique (CRTSE), Rapporteur
• Sorin MELINTE, Professeur des Universités, Université Catholique de Louvain, Examinateur
• Fatima SETIFI, Professeur des Universités, Laboratoire de chimie, ingénierie moléculaire et nanostructures. Departement de chimie, Faculté des sciences- Université Ferhat Abbas Sétif 1, Examinateur
• Toufik HADJERSI, Directeur de recherche, Centre de Recherche en Technologie des Semi-conducteurs pour l’Energitique (CRTSE),  Directeur de thèse

Résumé :

L’objectif de cette thèse est l’élaboration des électrodes des micro-supercondensateurs (µSC) à base de nitrure de chrome déposé sur un substrat de silicium utilisé comme collecteur de courant. Leurs performances électrochimiques peuvent être améliorées en augmentant leurs surfaces spécifiques et/ou la porosité pour une meilleure accessibilité de l’électrolyte vers le matériau actif.
La première partie du premier chapitre est consacrée à l’état de l’art sur les supercondensateurs et micro-supercondensateurs ainsi qu’aux différents systèmes de stockage d’énergie, aux différents types et applications des supercondensateurs ainsi que leurs mécanismes de stockage. Dans la deuxième partie, nous décrivons l’architecture type d’un supercondensateur ainsi que les matériaux d’électrode et les électrolytes utilisés pour la fabrication des supercondensateurs.
Le deuxième chapitre concerne la fabrication des électrodes à base d’un film mince de nitrure de chrome (CrN) déposé par pulvérisation magnétron bipolaire sous incidence oblique. L’utilisation de cette nouvelle technique permet de contrôler la morphologie de la surface des électrodes qui affecte directement leur capacité de stockage. Par la suite, nous décrirons la fabrication d’un micro-dispositif à configuration inter-digitée à base de CrN avec de bonnes performances électrochimiques.
Le troisième chapitre est consacré au développement des électrodes composites à base de nanofils de silicium (NFSi), synthétisés par le mécanisme VLS, et recouverts d’une couche de CrN. Le revêtement des NFSi avec du CrN offre plusieurs avantages, telles que l’augmentation de la capacité faradique et l’amélioration de la conductivité électrique du composite de CrN et de NFSi et les propriétés de stockage d’énergie.
Le quatrième chapitre concerne le développement d’électrodes composites de nano-murs de carbone (NMC) décorés par des couches de CrN. Nous décrirons les avantages d’utilisation d’un template avec une grande surface spécifique sur les performances électrochimiques des électrodes composites. La grande surface spécifique de NMC et leur bonne conductivité électrique permettent d’améliorer non seulement d’améliorer la capacité surfacique des électrodes à base de CrN mais également leur durée de vie. Par la suite, nous décrirons la fabrication d’un micro-dispositif avec une configuration empilé à base d’électrodes CNW-CrN avec une excellente stabilité électrochimique.
Enfin, la conclusion résume les résultats obtenus au cours de cette thèse ainsi que les perspectives envisagées.

Abstract :

The aim of this thesis work is the elaboration of micro-supercapacitor electrodes based on chromium nitride (CrN) deposited on a silicon current collector. Their electrochemical performance can be improved by increasing their specific surface area and/or porosity for better accessibility of the electrolyte to the active material.
The first part of the first chapter is devoted to the state of the art on supercapacitors and micro-supercapacitors as well as the different energy storage systems, various types and applications of supercapacitors and their storage mechanisms. In the second part, we describe the architecture of a supercapacitor as well as materials and electrolytes used for the fabrication of supercapacitors.
The second chapter concerns the fabrication of electrodes based on a thin film of chromium nitride (CrN) deposited by bipolar magnetron sputtering at a glancing angle (PVD-GLAD). The use of this new technique allows controlling the morphology of the surface of the electrodes, which directly affects their storage capacity. Subsequently, we will describe the fabrication of a micro-device with an inter-digital configuration based on chromium nitride with good electrochemical performance.
The third chapter is dedicated to the development of composite electrodes based on silicon nanowires (SiNWs), synthesized via a VLS mechanism, and coated with a thin layer of highly pseudo-capacitive CrN material. Post-coating SiNWs with CrN offers many benefits, such as enhanced faradaic capacitance and electrical conductivity of the composite, and improved energy storage performance.
The fourth chapter focuses on the development of composite electrodes made of carbon nanowalls (CNW) decorated with CrN. We will describe the benefits of using a template with a large specific surface area on the electrochemical performance of the composite electrodes. The large surface area of CNW and their good electrical conductivity allow improving not only the areal capacitance of CrN based electrodes, but also their cycle life. Subsequently, we will discuss the fabrication of a micro-device with a staked configuration based on CNW-CrN electrodes with robust electrochemical stability over 30,000 cycles.
Finally, the conclusion summarizes the obtained results during this thesis as well as the prospects envisaged.