L’objectif de cette étude est de développer une alimentation multisources exploitant la complémentarité batterie/supercondensateurs pour gagner en masse sur le stockage de l’énergie électrique embarquée à bord des aéronefs et des véhicules spatiaux. L’étude se déroule en trois parties :Dans la première partie, un outil d’aide à la décision permettant développer une alimentation hybride pour une application donnée est présenté. Cet outil a pour but d’estimer la masse optimale d’une alimentation hybride à partir des seules informations d’énergies spécifiques et puissances spécifiques des sources candidatesLa deuxième partie de l’étude s’appuie sur la complémentarité d’une étude bibliographique sur le comportement interne des supercondensateurs, couplée avec une campagne expérimentale de caractérisation et de vieillissement des supercondensateurs, pour construire et identifier les modèles multiphysiques de références commerciales de supercondensateurs nécessaires à l’optimisation fine du dimensionnement de l’alimentation hybride.À partir du modèle des sources, la troisième et dernière partie de cette étude a pour objectif de présenter la conception d’une architecture électrique répondant au besoin. En particulier, l’alimentation hybride proposée dans cette partie exploite dynamiquement et au maximum de leur capacité chacune des deux sources, tout en prenant soin de ne pas les contraindre excessivement. De par cette manière de faire, on se prémunit contre d’éventuelles défaillances des sources liées à leur utilisation abusive / The aim of this study is to develop an hybrid power supply using the complementarities between batteries and supercapacitors in order to improve the mass of electrical storage systems on aircrafts and spacecrafts.The study is divided into three parts: In the first part, a decision-making tool to develop a hybrid power supply given a mission profile is presented. Thanks to this tool, an estimation of the optimal mass of the hybrid power supply is done based only on the specific energy and the specific power of the sources.The second part is firstly composed of a synthesis of bibliography results on the internal behavior of supercapacitors; secondly an experimental test campaign is described. Its aim is characterizing, modeling and identifying the multiphysics behavior and ageing of supercapacitors on several commercial references. Those models are required for the fine sizing optimization of the hybrid power supply. Basing on the internal model of the sources, the aim of the third part of this study is to present the development of an hybrid architecture battery/supercapacitors which fulfills the electrical need for a specific application. This hybrid power supply takes dynamically advantage of the electrical sources at the maximum of their possibilities, but without overstressing them at the same time. Thanks to that, the aging rate of the sources and the failure rate of the system are limited

Actuellement, la principale source d’énergie embarquée dans les véhicules électriques est composée de batteries Li-ion. Cette thèse fait partie des thématiques communes de travail que mène L’ESTACA en collaboration avec le L2EP. L’objectif ce projet est d’étudier l’apport d’une source hybride composée de batteries Li-ion et des supercondensateurs, sur les performances d’un véhicule électrique urbain.Dans un premier temps, une stratégie de gestion d’energie basée sur l’approche des règles déterministes a été appliquée pour montrer l’intérêt de l’association des différentes technologies de batterie Li-ion (haute puissance, haute énergie) avec le supercondensateur en fonction de l’autonomie voulue. Cette étude nous a permis de proposer une solution optimale (poids, volume, coût..) composée d’une batterie énergétique et un supercondensateur.Dans la deuxième partie, on a suivie l’évolution du vieillissement des deux de deux batteries de type haute puissance et hautes énergie dans, respectivement, les configurations mono-source et hybride. Pour réaliser cette étude, un banc de tests, destiné au cyclage et la caractérisation des systèmes de stockage, a été utilisé. Les résultats obtenus, offriront la possibilité de se prononcer sur le type de batteries Li-ion qui pourrait être le plus intéressant pour l’alimentation des véhicules électriques / Currently, the main embedded storage system supplying the electric vehicles is composed of Li-ion batteries. This thesis is one of the common themes of work that ESTACA leads in collaboration with L2EP. The objective of this work is to study the interest of a hybrid source composed of Li-ion batteries and supercapacitors to supply an urban electric.Firstly, an energy management strategy based on deterministic rules is developed to control the power between the battery and supercapacitor. To demonstrate the combination utility, different Li-ion battery technologies (Li-ion high power, high-Li-ion energy) are used on the sizing step. Through this study, we could propose an optimal solution (masses, volumes, costs...) consisting of battery and supercapacitor. In the second part, we have followed the evolution of capacity and the internal resistance losses of high power and high energy batteries type in, respectively, single-source and hybrid configurations. For this study, a test bench, developed for cycling and characterization of storage systems, was used. The results obtained provide the opportunity to choose Li-ion battery technology that could be the most interesting for the supply of electric vehicles

Les ressources renouvelables sont considérées comme des alternatives durables, et parfois moins chères, aux matières premières d'origine pétrochimique. Dans cette thèse, on a utilisé du tanin provenant d’écorces de Mimosa comme précurseur de matériaux carbonés. La synthèse de ces nouveaux matériaux carbonés comprend un processus en deux étapes: la première étape est un traitement hydrothermal à des températures modérées, de 180 à 200°C, ce qui permet l'enrichissement en carbone ainsi que la fixation des hétéroatomes et la production de différentes morphologies: microsphères ou gels. La deuxième étape est une carbonisation à une température plus élevée, à savoir 900°C, ce qui permet d'augmenter la surface spécifique, la porosité ainsi que la conductivité électrique. La préparation d’un carbone poreux présentant des mésopores parfaitement définis en taille et dans leur organisation a été réalisée en associant le tanin, précurseur de carbone, à un tensio-actif structurant de la porosité, le copolymère Pluronic F127. Ces nouveaux matériaux carbonés ont été testés comme des électrodes de supercondensateur / Renewable resources are considered as sustainable, and sometimes cheaper, alternatives to substitute raw materials of petrochemical origin. We used tannins extracted from Mimosa barks. Tannin is an attractive precursor to synthesize new organic porous materials due to the presence of highly reactive phenolic molecules. The synthesis of these new carbon materials from tannin comprises a two-step process: the first step is a hydrothermal carbonization at moderate temperatures, 180-200°C, which allows obtaining a hydrochar, richer in carbon, and fixing other heteroatoms. These hydrochars present different morphologies as powder or gel. The second step is a carbonization at higher temperature (900°C), which allows increasing surface area (SBET), porosity as well as improving conductivity. The preparation of a porous carbon presenting mesopores perfectly defined in size and in their organization was realized by associating tannin, as carbon precursor, with a surfactant for porosity templating, the copolymer Pluronic F127. These new carbon materials were tested as electrodes of supercapacitor

La pile à combustible (FC) est peu adaptée aux variations brusques de puissance rencontrées dans les applications transport. L’hybridation de la pile à un supercondensateur (SC) a alors été étudiée, puisque cet organe de stockage capacitif permet de gérer les transitoires de puissance. L’hybridation est directe/passive, permettant ainsi de réduire le volume, la masse et le coût du système. Initialement, la faisabilité et l’impact de la taille du SC sur la performance de la FC en mono-cellule ont été examinés numériquement. Cette modélisation montre que l’augmentation de la taille du SC renforce l’effet de lissage induit par l’utilisation du SC sur le courant de la FC. Il en résulte des variations lentes et une réduction des amplitudes de courant et de tension, une diminution du courant efficace de la FC, et donc des pertes électriques de celle-ci. L’hybridation de la FC, comparativement à son fonctionnement seule, permet en outre de réduire la surconsommation en H2 de près de 50 % dans les mêmes conditions opératoires. Ces résultats ont été validés par des essais expérimentaux réalisés en mono-cellule et 3-cellules de 100 cm2 hybridée ou non. Par la suite, toujours en utilisant le protocole de cyclage urbain (FC-DLC), la durabilité de la FC a été étudiée lors d’essais de longue durée. La durabilité de la FC, qu’elle soit hybridée ou non, est la même. L’hybridation n’améliore donc pas la durée de vie de la FC mais ne lui nuit pas non plus. Par la suite, afin d’encore réduire la surconsommation en H2 en longue durée cyclage, différentes stratégies ont été étudiées : diminution du débit minimum des gaz imposé par le cyclage et diminution du coefficient de surstœchiométrie en H2. Ces changements n’ont pas d’influence sur la durabilité de la pile hybridée et ont permis de réduire à 10 % la surconsommation en hydrogène. La FC non hybridée, quant à elle, a vu sa durabilité divisée par deux lors de la diminution des débits minimum et ne fonctionnait pas avec le coefficient de surstœchiométrie ramené à 1,1. Ensuite, les travaux ont été étendus à un stack FC de forte puissance (Système Ballard de 1,2 kW) hybridé à deux modules de SC de 165 F (Maxwell Technologies). En final, un système hybride de 34 kW (FC de 10 kW et SC de 566.67 F) a montré des performances suffisantes pour une application transport urbain et péri-urbain. De plus, comparativement à une pile de 34 kW 21 % d’hydrogène sont économisés et l'investissement des équipements peut être réduit de près 50 % / The fuel cell (FC) is poorly adapted to the sudden variations in power encountered in transport applications. The FC hybridization to a supercapacitor (SC) was then studied, since this capacitive storage device allows to manage the power transients. Hybridization is direct/passive, thus reducing the volume, mass and cost of the system. Initially, the feasibility and the impact of SC size on FC performance have been examined numerically. Theoretical investigations show that increasing the size of SC enhances the smoothing effect introduced by the supercapacitor on FC current. This results into slow variations and reduction in both current and voltage amplitudes, a decrease in the fuel cell’s effective current, and therefore in FC electrical losses. Hybridization, compared to its FC operation alone, still reduces hydrogen overconsumption by nearly 50 % under the same operating conditions. These results have been validated by experimental tests carried out on a 100 cm2 single FC and a 3 cell stack. Later, the durability of the FC system has been investigated through long term tests. These durability tests have been conducted on the 100 cm2 single FC test bench using urban cycling protocol (FC-DLC), for both hybridized and unhybridized FC system, with continuous evaluation of degradation extent and causes. These tests suggest no detrimental impact on durability of the FC. For these two operating modes, a progressive aging of the gas diffusion layer seems to appear. Subsequently, in order to further reduce the overconsumption of hydrogen in long-term FC-DLC cycling, different strategies were studied: reducing the minimum gas flow rate imposed by FC-DLC cycling from 0.2 to 0.05 A cm-2, and reducing the hydrogen overstoichiometry coefficient from 1.2 to 1.1. These changes have no influence on the durability of the hybrid cell and have reduced hydrogen overconsumption to 10 %. On the contrary, in case of the unhybridized FC, durability was halved as minimum flows were reduced and it did not work when the overstoichiometry reduced coefficient. Further, work has been extended to high power FC systems (1.2 kW FC system, hybridized with two modules of 165 F, SC module). Finally, the FC downsizing has been demonstrated from 34kW FC system to hybrid source system of 10kW FC hybridized with 566.64 F SC, presenting 21 % hydrogen saving and nearly 50 % net cost savings.

Nowadays, new approaches to fabricate high-performance electrode materials are of vital importance in the renewable energy field. Here, we present a facile synthesis procedure of 3D Ni(OH)2/graphene hybrids for supercapacitors via synchronous electrochemical-assisted exfoliation and assembly of graphene on 3D Ni(OH)2 networks. With the assistance of an electric field, the electrochemically exfoliated high-quality graphene can be readily, uniformly assembled on the surfaces of 3D Ni(OH)2. When serving as electrode materials for supercapacitors, the resulting 3D Ni(OH)2/graphene composites exhibited excellent specific capacitance (263 mF cm−2 at 2 mA cm−2), remarkable rate capability and super-long cycle life (retention of 94.1% even after 10 000 continuous charge–discharge cycles), which may be attributed to their highly porous, stable 3D architecture as well as uniform, firm anchoring of ultrathin graphene on their surfaces. Therefore, our approach provides a facile strategy for the large-scale synthesis of high-quality graphene based composites towards various applications.

Nitrogen-doped (N-doped) porous carbons have drawn increasing attention due to their high activity for electrochemical catalysis, and high capacity for lithium-ion (Li-ion) batteries and supercapacitors. So far, the controlled synthesis of N-enriched ordered mesoporous carbons (N-OMCs) for Li-ion batteries is rarely reported due to the lack of a reliable nitrogen-doping protocol that maintains the ordered mesoporous structure. In order to realize this, in this work, ordered mesoporous carbons with controllable N contents were successfully prepared by using melamine, F127 and phenolic resin as the N-source, template and carbon-source respectively via a solvent-free ball-milling method. The as-prepared N-OMCs which showed a high N content up to 31.7 wt% were used as anodes for Li-ion batteries. Remarkably, the N-OMCs with an N content of 24.4 wt% exhibit the highest reversible capacity (506 mA h g−1) even after 300 cycles at 300 mA g−1 and a capacity retention of 103.3%. N-OMCs were also used as electrode materials in supercapacitors and a capacity of 150 F g−1 at 0.2 A g−1 with stable cycling up to 2500 times at 1 A g−1 was achieved. These attractive results encourage the design and synthesis of high heteroatom content ordered porous carbons for applications in the field of energy storage and conversion.

This work deals with the preparation of liquid electrolytes from different types of aprotic solvents with the aim of their application as electrolytes in electrochemical supercapacitors. Different sorts of aprotic solvents have been chosen, in which the following forms of salts were used: LiBF4, LiClO4,LiPF6. In the next part of the work, the properties of these solvents were measured and the best electrolyte, according to the biggest possible capacity of the system, was chosen. In the theoretical part of this work, the physical principle of supercapacitors and their propeties are described. It deals with electrolytes, their division and with the properties that are appropriate for supercapacitors. The experimental part of the work describes the process of preparation of the samples of electrodes, electrolytes and the techniques of measuring their capacities.

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This article presents a facile and effective approach for synthesizing three-dimensional (3D) graphenecoupled Schiff-base hierarchically porous polymers (GS-HPPs). The method involves the polymerization of melamine and 1,4-phthalaldehyde, yielding Schiff-base porous polymers on the interconnected macroporous frameworks of 3D graphene aerogels. The as-synthesized GS-HPPs possess hierarchically porous structures containing macro-/meso-/micropores, along with large specific surface areas up to 776 m² g⁻¹ and high nitrogen contents up to 36.8 wt%. Consequently, 3D nitrogen-enriched hierarchically porous carbon (N-HPC) materials with macro-/meso-/micropores were obtained by the pyrolysis of the GS-HPPs at a high temperature of 800 °C under a nitrogen atmosphere. With a hierarchically porous structure, good thermal stability and a high nitrogen-doping content up to 7.2 wt%, the N-HPC samples show a high specific capacitance of 335 F g⁻¹ at 0.1 A g⁻¹ in 6 M KOH, a good capacitance retention with increasing current density, and an outstanding cycling stability. The superior electrochemical performance means that the N-HPC materials have great potential as electrode materials for supercapacitors.