• Langue : Anglais
• Discipline : Micro-nanosystèmes et capteurs
• Identifiant : 2025ULILN015
• Type de thèse : Doctorat
• Date de soutenance : 22/09/2025

Résumé en langue originale

Le développement rapide des technologies d'énergie renouvelable nécessite des systèmes de stockage d'énergie efficaces pour remédier à la nature intermittente et instable des sources d'énergie solaire et éolienne. Parmi les solutions de stockage émergentes, les micro-supercondensateurs (MSC) se distinguent comme des candidats prometteurs pour les dispositifs de stockage d'énergie miniaturisés de la prochaine génération en raison de leur densité de puissance et de leur grande stabilité. Mon travail de thèse porte sur la conception et la caractérisation de micro-supercondensateurs flexibles et performants en utilisant des approches simples et bas coût.Le chapitre I présente les mécanismes fondamentaux des supercondensateurs, les méthodes de synthèse des supercondensateurs nanostructurés et microstructurés, ainsi qu'un aperçu concis des matériaux d'électrodes actives et de leurs propriétés intrinsèques. Les stratégies récentes visant à améliorer la densité de puissance, la densité d'énergie et la stabilité des cycles des supercondensateurs sont également passées en revue. Pour relever les défis actuels, j'ai analysé et proposé des solutions clés, notamment l'intégration du traitement laser et des techniques d'enduction par pulvérisation assistée par masque, permettant une production diversifiée de supercondensateurs. De plus, l'ingénierie des défauts (vides d'hydrogène) a été utilisée pour améliorer les performances électrochimiques des matériaux actifs, ce qui a permis d'augmenter la densité énergétique des supercondensateurs.Le chapitre II détaille les procédures expérimentales et les techniques de caractérisation utilisées pour la réalisation de mon travail de thèse.Le chapitre III décrit la fabrication de MSC planaires flexibles à base de MXène à l'aide d'une méthode de revêtement par pulvérisation assistée par masque couplée à un traitement laser. En utilisant des techniques laser, des structures poreuses interdigitées de graphène induit par laser (LIG) ont été construites avec succès sur des substrats de polyimide. La facilité et la polyvalence de l'enduction par pulvérisation ont permis la fabrication rapide de supercondensateurs à base de MXène sur divers substrats et la production à grande échelle de réseaux de MSC pour répondre aux demandes pratiques. Notamment, la formulation de l'encre au MXène sans additif, ne contenant aucun système de solvant binaire, présentait des caractéristiques respectueuses de l'environnement avec d'excellentes performances électrochimiques à des charges de MXène de l'ordre du milligramme. Cette technique polyvalente de pulvérisation directe d'encre met en évidence le potentiel significatif des encres au MXène sans additif pour une production à la carte et une intégration dans les composants électroniques imprimés.Le chapitre IV présente une conception innovante d'un micro-supercondensateur asymétrique (AMSC) à base d'électrodes de graphène (LIG) fonctionnalisées avec de l'hydroxyde double stratifié cobalt-nickel (CoNi-LDH(v)) riche en défauts d'hydrogène. Des techniques de traitement laser et d'électrodéposition ont été combinées pour créer des structures LIG interdigitées poreuses fonctionnalisées avec du CoNi-LDH(v) comme cathode et du FeOOH comme anode. Les AMSC LIG-CoNi-LDH(v)//LIG-FeOOH qui en résultent présentent des propriétés électrochimiques améliorées, notamment une large fenêtre de tension de fonctionnement (0-1,8 V) dans l'électrolyte gel PVA/LiCl, une capacité surfacique supérieure de 38,28 mF cm-², une capacité volumétrique de 5,60 F cm-³ à 0,25 mA cm-², une durabilité mécanique robuste et une bonne stabilité avec une rétention de capacité de 92 % sur 10 000 cycles. En outre, le dispositif présente une excellente compatibilité avec divers cations (Li?, Na?, K? et Ca²?) dans des électrolytes neutres. L'intégration avec des cellules solaires et des dispositifs LED commerciaux a démontré la faisabilité pratique d'une électronique flexible et auto-alimentée.

Résumé traduit

The rapid development of renewable energy technologies necessitates efficient energy storage systems to address the intermittent and unstable nature of solar and wind energy sources. Among emerging storage solutions, micro-supercapacitors (MSCs) stand out as promising candidates for next-generation miniaturized energy storage devices due to their superior power density and cycling stability. My thesis work is focused on the design and characterization of high performance and flexible micro-supercapacitors through cost-effective approaches.Chapter I introduces the fundamental mechanisms of supercapacitors, methodologies for synthesizing nano- and micro-structured supercapacitors, and a concise overview of active electrode materials along with their intrinsic properties. Recent strategies aimed at enhancing the power density, energy density, and cycling stability of supercapacitors are also reviewed. To address existing challenges, I have analyzed and proposed key solutions including the integration of laser processing and mask-assisted spray-coating techniques, enabling scalable and diversified production of supercapacitors. Additionally, defect engineering (hydrogen vacancies) was employed to enhance the electrochemical performance of active materials, consequently improving the energy density of supercapacitors.Chapter II details the experimental procedures and characterization techniques employed throughout the research.Chapter III presents the fabrication of flexible planar MSCs based on MXene using a mask-assisted spray-coating method coupled with laser processing. Utilizing cost-effective and scalable laser techniques, porous interdigitated laser-induced graphene (LIG) structures were successfully constructed on polyimide substrates. The ease and versatility of spray-coating enabled rapid fabrication of MXene-based supercapacitors on various substrates and large-scale production of MSC arrays to meet practical demands. Notably, the additive-free MXene ink formulation, containing no binary solvent systems, offered environmentally friendly characteristics with excellent electrochemical performance at milligram-scale MXene loadings. This versatile direct ink spraying technique highlights the significant potential of additive-free MXene inks for scalable production and integration into printed electronic components.Chapter IV introduces an innovative asymmetric micro-supercapacitor (AMSC) design employing laser-induced graphene electrodes functionalized with hydrogen vacancy-rich cobalt-nickel layered double hydroxide (CoNi-LDH(v)). Cost-effective laser processing and electrodeposition techniques were combined to create porous interdigitated LIG structures functionalized with CoNi-LDH(v) as cathode and FeOOH as anode materials. The resulting LIG-CoNi-LDH(v)//LIG-FeOOH AMSCs demonstrated enhanced electrochemical properties, including a wide operating voltage window (0-1.8 V) in PVA/LiCl gel electrolyte, superior areal capacitance of 38.28 mF cm?², volumetric capacitance of 5.60 F cm?³ at 0.25 mA cm?², robust mechanical durability, and remarkable cycling stability with 92% capacitance retention over 10,000 cycles. Furthermore, the device exhibited excellent compatibility with various cations (Li?, Na?, K?, and Ca²?) in neutral electrolytes. Integration with solar cells and commercial LED devices demonstrated practical feasibility for flexible, self-powered electronics.This research provides promising avenues for enhancing MSC performance via defect engineering and hybrid materials integration, promoting scalable and economically viable energy storage solutions.