Etude de la dégradation du carbone pour les supercondensateurs à l’aide de techniques optiques.

Le Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA) est un organisme divers d'administration centrale (ODAC) de recherche scientifique français dans les domaines de l’énergie, de la défense, des technologies de l'information et de la communication, des sciences de la matière, des sciences de la vie et de la santé, implanté sur dix sites en France.

Résumé
Ce stage porte sur une problématique cruciale dans le domaine du stockage d'énergie : l'augmentation de la densité d'énergie des supercondensateurs en milieu aqueux. L'objectif à terme est d'améliorer les performances de ces dispositifs en modifiant les propriétés de surface du matériau carboné à l'aide de films minces organiques électrogreffés. Au cours de ce stage, l’étudiant(e) étudiera cette étape d’électrogreffage et comparera la stabilité des matériaux carbonés et leurs propriétés catalytiques vis-à-vis de la réduction et de l’oxydation de l’eau, avant et après fonctionnalisation. Il/elle utilisera notamment des techniques de microscopie optique à fort contraste couplées à l’électrochimie pour étudier les phénomènes de dégradation.

Sujet détaillé
Les nouvelles sources d’énergie intermittentes pour lesquelles la production et la consommation ne sont pas toujours en phase, ont besoin de dispositifs de stockage d’énergie. Ce stage porte sur l’amélioration des performances d’une classe particulière de dispositifs de stockage: les supercondensateurs. Ces dispositifs utilisent notamment des électrodes en carbone et des électrolytes (organique, aqueux ou liquide ionique) pour stocker de façon capacitive une quantité importante d'énergie électrique. Contrairement aux batteries, ils ne reposent pas sur des réactions chimiques mais sur la séparation des charges électriques.
Pour des enjeux environnementaux et de sécurité, il est avantageux d’utiliser un électrolyte aqueux. Mais interviennent alors la décomposition de l’eau (à des potentiels supérieurs à 1.23V) et la corrosion du carbone, deux enjeux sérieux pour le développement de ce type de supercondensateurs carbone/eau. Ainsi l’objectif est d’augmenter les performances et la robustesse des dispositifs, d’une part en utilisant du carbone à haute surface spécifique comme électrode et, d’autre part, en modifiant la matière active afin d’élargir la plage de tension exploitable. Pour cela, nous greffons un film mince organique sur le carbone en contrôlant ses propriétés d'épaisseur, de conduction ionique, et d’hydrophobicité. Cette nouvelle approche s’inspire de la couche de passivation d’interphase en électrochimie (SEI).
L'électrogreffage de films minces organiques est l’une des spécialités du laboratoire Licsen et s'est révélé être une méthode puissante pour la modification des propriétés de différents types de matériaux. Elle permet de former facilement des films organiques robustes, liés de manière covalente à des substrats conducteurs (carbone ou métaux), à des semi-conducteurs ou même à des diélectriques.
Dans ce contexte, le but de ce stage est de comprendre la dégradation du carbone et notamment son oxydation électrochimique en milieu aqueux. Pour cela, nous utiliserons notamment des techniques de microscopie optique à fort contraste couplées à l’électrochimie et permettant l’observation en temps réel de certains phénomènes d’interface. Parallèlement, la fabrication des films minces sur des matériaux carbonés poreux par réduction électrochimique de sels de diazonium sera étudiée par différentes techniques (dont la spectro-électrochimie). L’étudiant(e) étudiera également les propriétés catalytiques des matériaux carbonés fonctionnalisés vis-à-vis de la réduction et de l’oxydation de l’eau.
Ce sujet contribue à la réalisation d'une source de stockage d’énergie, respectueuse de l'environnement et potentiellement compétitive sur le plan économique pour répondre à nos besoins énergétiques futurs.

L’étudiant(e) en charge du projet aura une excellente opportunité d'approfondir ses connaissances dans le domaine du stockage d'énergie et de contribuer à la recherche sur les matériaux pour les supercondensateurs.

Compétences souhaitées : Électrochimie, Matériaux (carbone, films minces), Microscopie et Spectroscopie.
Capacités à : Réaliser des expériences, Analyser des données, Rapporter son travail, Rédiger des rapports scientifiques