Étude sur les propriétés physicochimiques et électrochimiques des liquides ioniques redox et leur application en tant qu’électrolyte dans les supercapaciteurs

Abstract

Ce mémoire porte sur les recherches et les développements dans le domaine des électrolytes à base de liquide ionique redox. Une nouvelle famille de liquide ionique redox basée sur le ferrocenylsulfonyl(trifluoromethylsulfonyl) (FcNTf) a été développée et étudiée pour la première fois afin de démontrer le potentiel de ces liquides ioniques dans les dispositifs de stockage d’énergie. En premier lieu, les liquides ioniques redox (RILs) composés de l’anion électroactif et du cation d’alkylimidazolium sont synthétisés et caractérisés. L’impact de la variation des chaînes alkyles du cation sur les propriétés physicochimiques et électrochimiques du RIL a été étudié. À une faible concentration en solution, l’impact du cation a peu d’influence sur l’ensemble des propriétés. Cependant, à haute concentration (>50 % massique) et sans électrolyte de support, la formation de films en oxydation a été observée à l'électrode positive. Ce point est intéressant pour les futures recherches et développements dans le domaine, puisque la variation des chaînes alkyles du cation des liquides ioniques redox et la formation de films lors de l’oxydation du FcNTf est peu connue et comprise en littérature. De plus, l’optimisation des conditions de solution d'électrolyte RIL dans les supercapaciteurs est aussi présentée. En deuxième lieu, la mise en application des RILs dans les supercapaciteurs a été testée. La performance énergétique et le mécanisme d’autodécharge ont été ciblés dans cette étude. En présence de l’électrolyte redox, la contribution des réactions faradaiques permet d'accomplir un gain énergique de 287 % versus les systèmes purement capacitifs. À cause de la formation de film à l’électrode, l’électrolyte redox FcNTf joue un rôle primordial dans la prévention de l’autodécharge versus les liquides ioniques qui étaient connus jusqu’à présent. Finalement, ce mémoire a permis de mieux comprendre les effets structure-propriétés relative aux modifications du cation chez les liquides ioniques redox.

This thesis is focuses on the development of redox ionic liquid electrolytes for supercapacitors. A new family of redox ionic liquids (RILs) based on ferrocenylsulfonyl(trifluoromethylsulfonyl) (FcNTf) is reported, which show great potential as functional materials for energy storage devices. For the first part, RILs with electro-active anion and alkylimidazolium cations are synthesised and characterized. The impact of the variation of the imidazolium cation alkyl chain on the electrochemical and physicochemical properties is analysed. At lower concentrations of RIL, the cation structure has little impact on the solution properties. However, at higher concentrations, (>50 wt. %) and without supporting electrolyte, formation of a thin film on the electrode surface accompanies the oxidation process. The thin film formation has great impact for the control of deposition of the charged species on the electrode. The influence of the cation structure on the RIL and film deposition during the oxidation reaction is not well understood in the literature so far. In addition, optimisation of RILs as electrolytes for supercapacitors is also presented. In the second part, the RIL electrolyte is tested in supercapacitor cells. With faradaic contribution from the redox electrolyte, an increase of 287% in the energy is observed versus capacitive electrochemical systems. Furthermore, the film layer formation achieved by the use of FcNTf redox ionic liquid is an effective way to prevent the self-discharge of redox-active electrolyte supercapacitor. This thesis has helped to understand the structure-property relationships of redox ionic liquids.