Impact of porous carbonaceous material texture on supercapacitors’ electrodes chemical modification. : toward a better integration of molecules in hybrid devices

L’intégration des énergies renouvelables pour la production d’électricité impose une bonne maîtrise des flux énergétiques et le développement de nouveaux dispositifs de stockage de l’électricité est devenu un élément clé pour corriger l’intermittence des énergies éolienne et photovoltaïque. Parmi les dispositifs de stockage électrochimiques existants, les batteries se caractérisent par une grande densité d’énergie, mais souffrent d’une faible puissance, tandis que les supercondensateurs électrochimiques ont une faible densité d’énergie, mais conservent l’avantage d’une grande puissance. La difficulté à réunir ensemble puissance et énergie laisse vacant un large domaine du diagramme de Ragone, devenu la cible de nouveaux dispositifs hybrides. Une stratégie récente pour améliorer les performances des dispositifs de stockage consiste à greffer des molécules électroactives sur les matériaux d’électrodes, afin d’ajouter une contribution faradique au stockage. Cette approche modulaire permet de construire un matériau hybride sur mesure en fonction de l’application visée, mais la stratégie du greffage montre des limitations et des efforts restent à faire pour concilier les bonnes propriétés des molécules et du carbone, souvent utilisé pour cette application. Au cours de cette thèse, l’impact des propriétés de texture de matériaux carbonés poreux sur la modification chimique d’électrodes de supercondensateurs a été étudié afin de rationaliser la sélection des carbones et améliorer l’intégration des molécules. Dans cette perspective, le greffage du liant, jusqu’à présent considéré comme une masse "morte", sera considéré comme une alternative au greffage du carbone.The integration of renewable energy into the production of electricity, forces us to conceive innovative charge storage systems to deal with the issue of the intermittent supply of wind and solar-generated electricity. At present, electric storage devices range from electrochemical capacitors, which can supply high power densities but suffer from low energy densities, to batteries, which are considered as a high-energydensity and low-power-density technology. The difficulty of combining the high power density of supercapacitors with the high energy density of batteries creates a large free area in the Ragone diagram that is targeted by new hybrid energy systems. A recent strategy consists in grafting fast redox-active small molecules onto the surface of porous carbons for producing organic storage devices at the frontier between electrochemical capacitors and batteries. This modular approach allows designing universal electrode materials applicable both for anode and cathode, but efforts are still needed for improving the integration of molecules in the microporous structure of carbons. In this thesis, we have studied the impact of textural properties of a series of carbons on the electrochemical performances of the corresponding carbon-molecules composite materials to rationalize the selection of carbons and enhancing the integration of molecules in the microposity of carbons. An novel approach, presented at the end of this work, for improving performance without decreasing the double-layer capacitance contribution and hindering the ionic transportation is to use the binder for the charge storage by grafting molecules onto its polymeric skeleton