Les supercondensateurs sont des dispositifs de stockage de l'énergie électrique particulièrement intéressants pour les applications de puissance. Les rendre flexibles permet de considérer de nouvelles possibilités d'intégration. Néanmoins, l'optimisation de la densité d'énergie, point faible de ces dispositifs, passe par la recherche et l'étude de nouveaux matériaux d'électrode et d'électrolytes. Dans ce but, ce travail de thèse s'est orienté vers des matériaux pseudo-capacitifs, avec l'utilisation d'électrodes à base de MnO2, et d'électrolytes à base de liquide ionique fonctionnalisé de type biredox. Afin de conserver le caractère flexible des électrodes, le dioxyde de manganèse a d'abord été synthétisé pour la formulation d'encres à pulvériser sur substrat flexible. A cette occasion, l'influence de dispersants sur les performances a été étudiée. Les performances de matériaux nanocomposites à base de fibres de carbone et de graphène décorés par MnO2 ont ensuite été évaluées. Les contributions faradiques et surfaciques à la capacité développée par MnO2 ont ensuite été déterminées par une étude électrochimique fine. Enfin, l'étude d'un nouveau liquide ionique fonctionnalisé utilisé dans un dispositif carbone/carbone a confirmé l'attractivité de ces phénomènes faradiques dans les performances électrochimiques d'un supercondensateur. / Supercapacitors are attractive electrical energy storage devices for power applications. As flexible devices new integration opportunities can be consider. Nevertheless, the optimization of the energy density, weak point of these devices, proceeds through the search and the study of new electrode materials and electrolytes. In this aim, this thesis work is turned towards so called pseudo-capacitive materials, with the use of MnO2-based electrodes, and biredox Ionic Liquid electrolytes. To preserve the flexible behavior of the electrodes, the manganese dioxide was, at first, synthesized for the formulation of an ink to be sprayed on flexible substrates. The influence of dispersing agents on the electrochemical performances was evaluated. Performances of nanocomposite materials prepared with carbon nanofibers and graphene oxide sheets were also studied. Faradaic and surface contributions to the capacity developed by MnO2 electrode material were then determined by an advanced electrochemical study. Finally, the study of a new Ionic Liquid used in a symmetrical carbon/carbon supercapacitor confirmed the attractiveness of these Faradaic phenomena for the enhancement of the supercapacitor electrochemical performances.

Les supercondensateurs sont des dispositifs de stockage électrochimique de l’énergie très intéressants lorsque des pics de puissance sont mis en jeu. Toutefois, leur densité d’énergie volumique est la principale limite pour leur intégration, en particulier, dans des systèmes de transport terrestre. L’utilisation de matériaux d’électrode ayant un comportement pseudocapacitif et des masses volumiques élevées permettrait d’améliorer la densité d’énergie volumique des supercondensateurs. Avec cet objectif, des dispositifs à base des matériaux de la famille Ba0,5Sr0,5CoxFe1-xO3-δ, nommés BSCFs, ont été développés dans le cadre de cette thèse. Plusieurs compositions de cette famille d’oxydes ont été préparées par un procédé glycine-nitrate et ont été testés comme matériau actif d’électrode positive en milieu aqueux neutre. La capacité volumique de ces matériaux s’avère être beaucoup plus élevée que celle des carbones activés utilisés dans les supercondensateurs commerciaux. Elle a montré également dépendre de la composition en cobalt et en fer, du régime de charge, de la nature de l’électrolyte… Le mécanisme de stockage de charges dans ces matériaux a été exploré grâce à des techniques in situ (absorption des rayons X) et operando (diffraction des rayons X) effectuées aux synchrotrons SOLEIL (France) et SPring-8 (Japon). Enfin, des dispositifs associant une électrode positive à base de BSCF et du carbone activé ou FeWO4 en tant qu’électrode négative ont démontré l’intérêt d’intégrer de tels matériaux pour améliorer la densité d’énergie volumique des supercondensateurs. / Supercapacitors are attractive electrochemical energy storage devices for high power applications. However, volumetric energy density is the main limitation for their integration in such applications as terrestrial transport systems. The use of high density pseudocapacitive oxides as electrode material could lead to a volumetric energy density improvement. With this aim, materials from Ba0,5Sr0,5CoxFe1-xO3-δ family, so called BSCFs, have been studied. Several compositions have been prepared and evaluated as positive electrode materials in aqueous neutral electrolyte. Volumetric capacitances have shown to be greater than those of activated carbons, already used in marketed supercapacitors. They have also shown to depend on cobalt and iron ratio, charge rate, electrolyte composition... The study of the charge storage mechanism in these materials has been investigated thanks to in situ (X-Ray absroption spectroscopy) and operando (X-Ray diffraction) technics performed at SOLEIL (France) and SPring-8 (Japan) synchrotron facilities. Finally, devices coupling BSCF based positive electrode material with activated carbon or FeWO4 based negative electrode materials have demonstrated the added value of such materials to improve the volumetric energy density of supercapacitors.

Alternative energy resources (such as photovoltaics, fuel cells, wind turbines, micro-turbines, and internal combustion engines) and energy storage systems (such as batteries, supercapacitors, and flywheels) are increasingly being connected to the utility grid, creating distributed energy resources which require the implementation of an effective distributed power management strategy. Parallel-connected power converters form a critical component in such a distributed energy resources system. This dissertation addresses small-signal modeling and analysis of parallel-connected power converter systems operating in distributed energy environments. This work focuses on DC-DC and DC-AC power converters. First, this work addresses the small-signal modeling and analysis of parallel-connected power converters in a battery/supercapacitor hybrid energy storage system. The small-signal model considers variations in the current of individual energy storage devices and the DC bus voltage as state variables, variations in the power converter duty cycles as control variables, and variations in the battery and the supercapacitor voltages and the load current as external disturbances. This dissertation proposes several different control strategies and studies the effects of variations in controller and filter parameters on system performance. Simulation studies were carried out using the Virtual Test Bed (VTB) platform under various load conditions to verify the proposed control strategies and their effect on the final states of the energy storage devices. Control strategies for single DC-AC three-phase power converters are also identified and investigated. These include a novel PV (active power and voltage) control with frequency droop control loop, PQ (active power and reactive power) control, voltage control, PQ control with frequency droop control, and PQ control with voltage and frequency droop control. Small-signal models of a three-phase power converter system with these control strategies were developed, and the impact of parameter variations on the stability of a PV controlled converter were studied. Moreover, a small-signal model of parallel-connected three-phase DC-AC power converters with individual DC power supplies and network is proposed. The simulations carried out in stand-alone and grid-connected modes verify the combined control strategies that were developed. In addition, a detailed small-signal mathematical model that can represent the zero-sequence current dynamics in parallel-connected three-phase DC-AC power converters that share a single DC power source is presented. The effects of a variety of factors on the zero-sequence current are investigated, and a control strategy to minimize the zero-sequence current is proposed. Time-domain simulation studies verify the results. Simulations of a parallel-connected DC-AC power converter system with nonlinear load were carried out. The active power filter implemented in this system provides sharing of harmonic load between each power converter, and reduces harmonic distortion at the nonlinear load by harmonic compensation.

Several approaches have been used to develop carbon nanotube (CNT) based electrochemical supercapacitors. These approaches include the following: (a) stabilization and carbonization of ternary composites of polyacrylonitrile (PAN), poly (styrene co-acrylonitrile) (SAN) copolymer, and single wall carbon nanotubes (SWNTs); (b) SWNT membranes functionalized with aryl chloride, sodium sulfonate, aryl sulfonic acid, bis(3,5-di-tert-butylphenyl)5-aminobenzene-1,3-dioate, and 4,4 -methylenedianiline; and (c) pyrrole treated SWNTs. In addition nitric acid functionalized and heat-treated SWNT membranes have been studied. The electrochemical supercapacitor behavior of these membrane electrodes has been characterized by cyclic voltammetry, constant current charging-discharging, and impedance analysis in aqueous and ionic liquid electrolytes. Long term performance of selected electrodes has been evaluated. The surface area and pore size distribution was quantified by N2 gas adsorption/desorption and correlated with capacitance performance. The surface functional groups have been characterized by X-ray photoelectron spectroscopy. CNT electrode/electrolyte interaction has been characterized using contact angle measurements. Electrolyte absorption by the electrodes has also been characterized. Carbonized PAN/SAN/SWNT ternary composites exhibit double layer capacity of over 200 μF/cm2. By comparison, the double layer capacity of classical meso-porous carbons is in the range of 10-50 μF/cm2. The capacitance of functionalized SWNTs is up to 2 times that of the control bucky paper made from unfunctionalized SWNTs. Energy density of functionalized electrodes when evaluated in an ionic liquid is as high as 28 kJ/kg. High capacitance (up to 350 F/g) was obtained for pyrrole-treated functionalized SWNT membranes in 6 M KOH. This value is almost seven times that of the control bucky paper. Correlating the capacitance with surface area and pore size distribution, it was observed that macropores (pore width greater than 50 nm) play an important role for achieving high capacitance.

Ce mémoire portant sur le développement de liquides ioniques protiques à l'état liquide à température ambiante en tant qu'électrolytes pour des supercapacités faradiques à base de dioxyde de ruthénium est divisé en trois études distinctes. La première permet d'évaluer quelles propriétés de ces sels fondus doivent être optimisées pour cette application en utilisant les données recueillies avec une série de nouveaux liquides ioniques protiques constitués de l'acide trifluoroacétique et différentes bases hétérocycliques azotées. La seconde discute de l'effet d'impuretés colorées sur les propriétés des liquides ioniques ainsi que sur des aspects pratiques devant être pris en considération lors des synthèses. La troisième traite d'importantes relations structure–propriétés pour une série de liquides ioniques protiques ayant des cations du type pyridinium et différents anions. Dans leur ensemble, les travaux présentés devraient permettre une recherche plus efficace de liquides ioniques avec des propriétés désirables en vue d'application comme électrolyte dans le futur. / This thesis on the development of room temperature protic ionic liquids as electrolytes in ruthenium-dioxide based faradaic superpacitors consists of three separate studies. The first one establishes which properties of molten salts need to be optimized for this application by using the data obtained from the analysis of a series of protic ionic liquids composed of trifluoroacetic acid and N-heterocyclic bases. The second study elaborates on the effect of colored impurities on the properties of ionic liquids and also reports practical aspects which need to be accounted for during their synthesis. The third study focuses on important structure–property relationships for a series of protic ionic liquids with pyridinium cations and various anions. Altogether, the results presented in here should allow a more efficient design of ionic liquids with desirable properties for application as electrolytes in the future.

Nanoporous carbons have become a material of interest in many applications such as electrochemical double layer capacitors (supercapacitors). Supercapacitors are being studied for their potential in storing electrical energy storage from intermittent sources and in use as power sources that can be charged rapidly. However, a lack of understanding of the charge storage mechanism within a supercapacitor makes it difficult to optimize them. Two components of this challenge are the difficulties in experimentally characterizing the sub-nanoporous structure of carbon electrode materials and the electrical performance of the supercapacitors. This work provides a means to accurately characterize the porous structure of sub-nanoporus carbon materials and identifies the current limitations in characterizing the electrical performance of a supercapacitor cell. Future work may focus on the relationship between the sub-nano porous structure of the carbon electrode and the capacitance of supercapacitors, and on the elucidation of charge storage mechanisms.

Nanoporous carbons have become a material of interest in many applications such as electrochemical double layer capacitors (supercapacitors). Supercapacitors are being studied for their potential in storing electrical energy storage from intermittent sources and in use as power sources that can be charged rapidly. However, a lack of understanding of the charge storage mechanism within a supercapacitor makes it difficult to optimize them. Two components of this challenge are the difficulties in experimentally characterizing the sub-nanoporous structure of carbon electrode materials and the electrical performance of the supercapacitors. This work provides a means to accurately characterize the porous structure of sub-nanoporus carbon materials and identifies the current limitations in characterizing the electrical performance of a supercapacitor cell. Future work may focus on the relationship between the sub-nano porous structure of the carbon electrode and the capacitance of supercapacitors, and on the elucidation of charge storage mechanisms.

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.

Les supercondensateurs sont des dispositifs de stockage électrochimique de l’énergie ayant été récemment mis au point et possédant des performances intermédiaires entre les condensateurs diélectriques et les batteries. Leurs intéressantes valeurs de densité d’énergie et de puissance, conjuguées à leur excellente durée de vie et à leur miniaturisation facilité rendent ces composants prometteurs pour des micro-dispositifs électroniques, tels des micro-capteurs autonomes ou des implants médicaux.Le silicium nanostructuré par CVD a prouvé être un remarquable matériau d’électrode de supercondensateur, pour des applications miniaturisées, lors de récents travaux. L’excellent contrôle de la morphologie et des propriétés électroniques permis par la synthèse montante de nano-fils et nano-arbres de silicium, ainsi que la grande stabilité électrochimique et thermique de ce matériau font des nanostructures de silicium obtenues par synthèse montante une excellente plate-forme pour des micro-supercondensateurs.La présente thèse s’attache à explorer plusieurs voies d’amélioration et d’utilisation des nano-fils et nano-arbres de silicium. Une étude systématique de l’optimisation des nanostructures a été conduite, permettant d’améliorer largement les performances précédemment établies. Ensuite, une fonctionnalisation par des couches minces d’alumines utilisant la technique d’ALD a permis d’accroitre largement la plage de tensions d’utilisation des supercondensateurs, et d’augmenter leur stabilité électrochimique. Enfin, la croissance « sur-puce », ainsi que l’étude de la stabilité en température des dispositifs ont été effectuées, laissant entrevoir d’importantes perspectives d’applications. / Supercapacitors are electrochemical energy storage devices which have been recently developed, and possess intermediate performances between dielectric capacitors and batteries. These components exhibit interesting power and energy densities, combined with an exceptional cycle life and an easy miniaturization. Supercapacitors are thus envisioned as energy storage solutions for electronic micro-devices, such as autonomous micro-sensors or implantable medical devices.In recent studies, CVD nanostructured silicon proved to be an excellent electrode material candidate for micro-supercapacitor applications. Bottom-up synthesis allows an exceptional control of the morphology and electrical properties of the obtained silicon nano-wires and nano-trees. Moreover, the nanostructured electrodes possess superior electrochemical and temperature stability. These arguments lead to consider silicon as an excellent platform for micro-supercapacitors applications.This PhD thesis details various ways to improve and use silicon nano-wires and nano-trees. The nanostructures have been subjected to a systematic optimization study, yielding a significant increase of the electrochemical performances of the electrodes, compared to previously published studies. In addition, surface functionalization using thin ALD alumina layers permitted a considerable increase of the supercapacitor voltage window and an improved electrochemical stability. Finally, “on-chip” nanostructure growth, and temperature stability studies of the device were conducted, opening a broad field of improvements and potential uses for these silicon nanostructures.

The scientific objective of this research program was to determine the feasibility of manufacturing an ionic liquid-based supercapacitor that could operate at temperatures up to 220 °C. A secondary objective was to determine the compatibility of ionic liquids with other cell components (e.g. current collectors) at high temperature and, if required, consider means of mitigating any problems. The industrial motivation for the present work was to develop a supercapacitor capable of working in the harsh environment of deep offshore boreholes. If successful, this technology would allow down-hole telemetry under conditions of mechanical vibration and high temperature. The obstacles, however, were many. All supercapacitor components had to be stable against thermal decomposition up to T ≥ 220 °C. Volatile components had to be eliminated. If possible, the finished device should be able to withstand voltages greater than 4 V, in order to maximise the amount of stored energy. The internal resistance should be as low as possible. Side reactions, particularly faradaic reactions, should be eliminated or suppressed. All liquid components should be gelled to minimise leakage in the event of cell damage. Finally, any emergent problems should be identified.