Multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) were successfully coated with two different pseudocapacitive polyoxometalates (POMs) (SiMo12O40-4 (SiMo12) and PMo12O40-3 (PMo12)) via “Layer-by-Layer” deposition. Even with merely a “single-layer” of POM, the modified nanotubes exhibited more than 2X increase in capacitance compared with that of bare nanotubes. To further improve their electrochemical performances, the deposition sequence of the POM layers was adjusted to form “alternate layer” coating to modify MWCNT. A synergistic effect on the capacitance and kinetics was observed with the alternate layer coatings. X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) and Scanning Electron Microscopy (SEM) also proved the successful coating of POMs on MWCNTs. The potential-pH relationship provided important insights in terms of the deposition mechanism and suggested that the bottom layer close to the electrode substrate was the dominating layer in alternate layer coated MWCNT electrodes.

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Die effiziente Speicherung von elektrischer Energie im elektrochemischen System des Superkondensators wird realisiert durch die Ausrichtung von Elektrolytionen im elektrischen Feld polarisierter, poröser Kohlenstoffelektroden. Der Energieinhalt und die Leistungscharakteristika der elektrostatischen Zwischenspeicherung von Energie bei Lade- und Entladezeiten von wenigen Sekunden bis zu einigen Minuten wird entscheidend durch die Eigenschaften der zur Ladungsspeicherung genutzten Grenzfläche zwischen dem Elektrodenmaterial und dem Elektrolyten bestimmt. Für die Optimierung des Energieinhaltes und der Leistungscharakteristika von Superkondensatoren durch die rationale Modifizierung dieser Grenzfläche konnten entscheidende Trends herausgearbeitet werden. Durch Einbindung eines pseudokapazitiven Eisenoxids in die spezifische Oberfläche des mesoporösen CMK-3 im Redoxverfahren ist die Darstellung einer neuartigen Nanokompositstruktur möglich. Diese weißt eine dreifach höhere spezifische Kapazität im Vergleich zur nicht-modifizierten Kohlenstoffoberfläche unter Beibehaltung der Strombelastbarkeit der Kohlenstoffmatrix auf. Entscheidend für die Weiterentwicklung von Synthesestrategien und die anwendungsorientierte Optimierung für Nanokompositstrukturen ist deren ausführliche Charakterisierung mittels angepasster Verfahren. Die in dieser Arbeit erstmals zur Analyse von porösen CMK-3 basierten Nanokompositstrukturen verwendeten Methoden der Aufnahme eines Tiefenprofils mittels Auger Elektronen Spektroskopie (DP-AES) und der energiegefilterten Transmissionselektronenmikroskopie (EF-TEM) lieferten die Grundlage zur Weiterentwicklung der rationalen, nanoskaligen Grenzflächenfunktionalisierung. In einem weiteren, stark vereinfachten und effektiveren Verfahren der Schmelzimprägnierung der porösen Matrix mit Nitrathydraten, sowie deren anschließendes Kalzinieren zum Übergangsmetall, respektive pseudokapazitiven Übergangsmetalloxid, konnte eine nochmals optimierte Nanokompositstruktur dargestellt werden. Das entwickelte Verfahren wurde für die Einbettung von Nickel/Nickeloxid und Eisen/Eisenoxid in die Oberfläche des mesoporösen CMK-3 eingesetzt. Ein gesteigerter Energieinhalt, wie auch eine deutlich gesteigerte Stabilität der Kapazität bei hohen Strombelastungen für die resultierenden Elektrodenmaterialien konnte eindeutig nachgewiesen werden. Die signifikante Erhöhung der Leistungscharakteristika ist dabei auf die optimale Kontaktierung des Übergangsmetalloxids durch das Übergangsmetall als Leitfähigkeitsadditiv im Sinne einer Kern-Schale Struktur realisiert. Der für das Nanokomposit C-FeO10 berechnete Kapazitätsverlust von < 11 % bei Erhöhung der spezifischen Stromstärke von 1 A/g auf 10 A/g verdeutlicht die beeindruckende Strombelastbarkeit des Materials. In einem weiteren in dieser Arbeit diskutierten Ansatz zur Steigerung des Energieinhaltes eines Superkondensators wurde auf die Verwendung von Ionischen Flüssigkeiten (IL) als Elektrolyt eingegangen. Die gezielte Darstellung eines oberflächenmodifizierten aus Cabiden gewonnen Kohlenstoffmaterials (CDC) unter Beibehaltung der Textur des porösen Systems ermöglichte die Untersuchung des Einflusses der Oberflächencharakteristika des Elektrodenmaterials auf die Strombelastbarkeit des Energiespeichers. Es konnte klar herausgestellt werden, dass für den vielversprechenden IL-Elektrolyten EMIBF4 eine verminderte Polarität, sowie die Abwesenheit azider Protonen an der Oberfläche des Kohlenstoffs deutlich zur Steigerung der Strombelastbarkeit des Speichers beiträgt. Realisiert wurde die Modifizierung der Oberfläche durch deren Chlorierung. Die Einordnung der vielversprechenden Kombinationen aus maßgeschneiderten Elektrodenmaterialien und Elektrolytsystemen wurde anhand der Kenngrößen im Ragone-Diagramm vorgenommen. Die Ergebnisse der Arbeit reihen sich in die derzeit schnell voranschreitende Technologieentwicklung bei Superkondensatoren ein.

Advanced supercapacitor electrodes require the development of materials with dense redox sites embedded into conductive and porous skeletons. Two-dimensional (2D) conjugated metal–organic frameworks (c-MOFs) are attractive supercapacitor electrode materials due to their high intrinsic electrical conductivities, large specific surface areas, and quasi-one-dimensional aligned pore arrays. However, the reported 2D c-MOFs still suffer from unsatisfying specific capacitances and narrow potential windows because large and redox-inactive building blocks lead to low redox-site densities of 2D c-MOFs. Herein, we demonstrate the dual-redox-site 2D c-MOFs with copper phthalocyanine building blocks linked by metal-bis(iminobenzosemiquinoid) (M2[CuPc(NH)8], M = Ni or Cu), which depict both large specific capacitances and wide potential windows. Experimental results accompanied by theoretical calculations verify that phthalocyanine monomers and metal-bis(iminobenzosemiquinoid) linkages serve as respective redox sites for pseudocapacitive cation (Na+) and anion (SO42–) storage, enabling the continuous Faradaic reactions of M2[CuPc(NH)8] occurring in a large potential window of −0.8 to 0.8 V vs Ag/AgCl (3 M KCl). The decent conductivity (0.8 S m–1) and high active-site density further endow the Ni2[CuPc(NH)8] with a remarkable specific capacitance (400 F g–1 at 0.5 A g–1) and excellent rate capability (183 F g–1 at 20 A g–1). Quasi-solid-state symmetric supercapacitors are further assembled to demonstrate the practical application of Ni2[CuPc(NH)8] electrode, which deliver a state-of-the-art energy density of 51.6 Wh kg–1 and a peak power density of 32.1 kW kg–1.

Thèse en cotutelle (avec l'Université Toulouse 3 - Paul Sabatier) en Science des matériaux et Electrochimie / Avec le développement des systèmes électroniques embarqués se pose la question de la miniaturisation des dispositifs de stockage d’énergie. De nos jours, cette fonction est principalement assurée par des micro-batteries. Ces composants possèdent cependant une faible puissance disponible, une durée de vie limitée et un domaine de fonctionnement en température restreint. Les “micro-supercondensateurs” sur puce permettraient de s’affranchir de ces limitations, mais ils ne sont aujourd’hui qu’au stade de la recherche universitaire avec des densités d’énergie bien inférieures à celles des micro-batteries. L’énergie et la puissance stockées dans un supercondensateur sont proportionnelles au carré de la fenêtre de potentiel, qui dépend elle-même de la stabilité électrochimique de l’électrolyte utilisé. L’électrolyte joue ainsi un rôle prépondérant sur les propriétés des supercondensateurs (tension, gamme de température, courant de fuite, durée de vie…). Cette thèse vise à développer des liquides ioniques protiques et aprotiques dédiés aux micro-supercondensateurs pseudocapacitifs à base d'oxydes métalliques (RuO2, MnO2). Les électrolytes à base de liquides ioniques présentent des propriétés intéressantes, notamment une faible pression de vapeur saturante, une stabilité aux hautes températures, ainsi qu’une large fenêtre de potentiel. Ils contribuent ainsi à améliorer la densité d’énergie surfaciques, principal problème rencontré par les micro-supercondensateurs actuels. Les liquides ioniques étudiés ont été conçus sur la base de leurs structures et leurs propriétés physico-chimiques. Des caractérisations électrochimiques ont été réalisées avec des micro-supercondensateurs à base d’oxyde de ruthénium et d’oxyde de manganèse. De très bonnes performances ont été obtenus en utilisant des collecteurs de courant poreux à grande surface spécifique. Les électrolytes liquides constituant cependant un verrou technologique à la réalisation de micro-supercondensateurs fonctionnels compatible avec les procédés de microfabrication, des ionogels composés d’une matrice solide dans laquelle a été confinée le liquide ionique ont également été réalisés. / The rising growth of smart and autonomous microelectronic devices in the IoT (Internet of Things) era urges the development of advanced microscale energy sources with tailor-made features and customized energy/power requirements. Micro-supercapacitors (MSCs) emerged as potential energy storage devices complementing micro-batteries to power ubiquitous sensor networks needed to foster the development of IoT. However, the low cell voltage and low energy density remain major bottleneck that prevents their application at a large scale in real devices. To mitigate this issue, several studies have been devoted to the engineering of MSC electrode materials and structural architecting of current collectors to enhance the surface area and areal energy density by considering the limited available footprint area. This, however, has associated challenges such as a complex synthesis route, poor interfacial and mechanical stability of the electrode, and electrolyte compatibility issues, among others. Another key challenge to solve for reaching high energy density values in MSCs is the limited electrochemical stability window (ESW) of the electrolytes used as energy stored is directly related to the square of the cell voltage. The electrolytes play a major role in deciding the ESW and liquid-state electrolytes commonly used are troublesome for the microfabrication process due to leakage, evaporation, and safety issues. Therefore, it’s imperative to develop alternative electrolytes including solid-state electrolytes reconcilable to the target application of MSCs. This thesis aims at developing novel ionic-liquid (IL)-based electrolytes (both protic and aprotic) suitable for pseudocapacitive metal oxide (e.g., RuO2, MnO2)-based micro-supercapacitors (MSCs). IL-based electrolytes exhibit key properties including low vapor pressure, high temperature stability, low melting point, etc. with a wide ESW and help improve energy density performance, overcoming the major bottleneck faced by current MSCs. During this project, ILs are rationally designed based on their physicochemical properties. The detailed structure-property and electrochemical characterization studies were done using RuO2 and MnO2-based MSCs. We demonstrate state-of-the-art performance by developing high surface area porous current collectors with enhanced mass loading and solid-state devices using ionogel electrolytes, enabling their feasible integration with microelectronics to power connected IoT sensor networks.

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Die effiziente Speicherung von elektrischer Energie im elektrochemischen System des Superkondensators wird realisiert durch die Ausrichtung von Elektrolytionen im elektrischen Feld polarisierter, poröser Kohlenstoffelektroden. Der Energieinhalt und die Leistungscharakteristika der elektrostatischen Zwischenspeicherung von Energie bei Lade- und Entladezeiten von wenigen Sekunden bis zu einigen Minuten wird entscheidend durch die Eigenschaften der zur Ladungsspeicherung genutzten Grenzfläche zwischen dem Elektrodenmaterial und dem Elektrolyten bestimmt. Für die Optimierung des Energieinhaltes und der Leistungscharakteristika von Superkondensatoren durch die rationale Modifizierung dieser Grenzfläche konnten entscheidende Trends herausgearbeitet werden. Durch Einbindung eines pseudokapazitiven Eisenoxids in die spezifische Oberfläche des mesoporösen CMK-3 im Redoxverfahren ist die Darstellung einer neuartigen Nanokompositstruktur möglich. Diese weißt eine dreifach höhere spezifische Kapazität im Vergleich zur nicht-modifizierten Kohlenstoffoberfläche unter Beibehaltung der Strombelastbarkeit der Kohlenstoffmatrix auf. Entscheidend für die Weiterentwicklung von Synthesestrategien und die anwendungsorientierte Optimierung für Nanokompositstrukturen ist deren ausführliche Charakterisierung mittels angepasster Verfahren. Die in dieser Arbeit erstmals zur Analyse von porösen CMK-3 basierten Nanokompositstrukturen verwendeten Methoden der Aufnahme eines Tiefenprofils mittels Auger Elektronen Spektroskopie (DP-AES) und der energiegefilterten Transmissionselektronenmikroskopie (EF-TEM) lieferten die Grundlage zur Weiterentwicklung der rationalen, nanoskaligen Grenzflächenfunktionalisierung. In einem weiteren, stark vereinfachten und effektiveren Verfahren der Schmelzimprägnierung der porösen Matrix mit Nitrathydraten, sowie deren anschließendes Kalzinieren zum Übergangsmetall, respektive pseudokapazitiven Übergangsmetalloxid, konnte eine nochmals optimierte Nanokompositstruktur dargestellt werden. Das entwickelte Verfahren wurde für die Einbettung von Nickel/Nickeloxid und Eisen/Eisenoxid in die Oberfläche des mesoporösen CMK-3 eingesetzt. Ein gesteigerter Energieinhalt, wie auch eine deutlich gesteigerte Stabilität der Kapazität bei hohen Strombelastungen für die resultierenden Elektrodenmaterialien konnte eindeutig nachgewiesen werden. Die signifikante Erhöhung der Leistungscharakteristika ist dabei auf die optimale Kontaktierung des Übergangsmetalloxids durch das Übergangsmetall als Leitfähigkeitsadditiv im Sinne einer Kern-Schale Struktur realisiert. Der für das Nanokomposit C-FeO10 berechnete Kapazitätsverlust von < 11 % bei Erhöhung der spezifischen Stromstärke von 1 A/g auf 10 A/g verdeutlicht die beeindruckende Strombelastbarkeit des Materials. In einem weiteren in dieser Arbeit diskutierten Ansatz zur Steigerung des Energieinhaltes eines Superkondensators wurde auf die Verwendung von Ionischen Flüssigkeiten (IL) als Elektrolyt eingegangen. Die gezielte Darstellung eines oberflächenmodifizierten aus Cabiden gewonnen Kohlenstoffmaterials (CDC) unter Beibehaltung der Textur des porösen Systems ermöglichte die Untersuchung des Einflusses der Oberflächencharakteristika des Elektrodenmaterials auf die Strombelastbarkeit des Energiespeichers. Es konnte klar herausgestellt werden, dass für den vielversprechenden IL-Elektrolyten EMIBF4 eine verminderte Polarität, sowie die Abwesenheit azider Protonen an der Oberfläche des Kohlenstoffs deutlich zur Steigerung der Strombelastbarkeit des Speichers beiträgt. Realisiert wurde die Modifizierung der Oberfläche durch deren Chlorierung. Die Einordnung der vielversprechenden Kombinationen aus maßgeschneiderten Elektrodenmaterialien und Elektrolytsystemen wurde anhand der Kenngrößen im Ragone-Diagramm vorgenommen. Die Ergebnisse der Arbeit reihen sich in die derzeit schnell voranschreitende Technologieentwicklung bei Superkondensatoren ein.