Elaboration of new multimaterials based on carbon fibers, silicon nanowires and electroactive conducting polymers for all solid-state, flexible micro-supercapacitor electrodes

Le stockage d'énergie électrochimique embarqué est essentiel pour répondre à la demande croissante des appareils portables de faible puissance tels que les systèmes micro-électromécaniques (MEMS), les réseaux de capteurs autonomes, les étiquettes d'identification par radiofréquence (RFID) ou les dispositifs biomédicaux. La réalisation d’électrodes composites est un levier important pour l’amélioration des performances en terme de densité d’énergie et durabilité des dispositifs. Les SiNWs élaborés par CVD sont compatibles avec un système supercondensateurs purement capacitif, mais leur capacité peut être améliorée avec l’ajout de polymères conducteurs électroniques. Cette thèse présente le développement d’électrodes nanocomposites flexibles pour micro-supercondensateurs à base de nanofils de silicium (SiNWs). Les polymères conducteurs électroniques peuvent être déposés dans un milieu micellaire aqueux, ce qui permet un meilleur contrôle du dépôt sous forme de film mince à la surface des SiNWs. Cette optimisation morphologique se traduit par de meilleures performances au cyclage électrochimique. Ces nouveaux nanocomposites SiNWs et polymères conducteurs sont ensuite transférés vers un substrat flexible à base de feutres de carbones. L’électropolymérisation d’EDOT sur ces électrodes nanostructurées permet à l’électrode nanocomposite de fournir une capacitance de 22 mF.cm-2 avec une stabilité électrochimique limitant à 18% la perte de capacité au bout de 100 000 cycles en électrolyte aqueux. Pour s’affranchir des contraintes d’un électrolyte liquide, un électrolyte polymère est également développé à base de polysiloxanes fonctionnalisés et déposés sur les SiNWs pour le passage à un système tout-solide. Le système tout-solide présente une stabilité proche des 98% pour 100 000 cycles sur une tension de 3,0 V.Embedded electrochemical energy storage is essential to meet the growing demand for low-power portable devices such as micro-electromechanical systems (MEMS), autonomous sensor arrays, radio-frequency identification (RFID) tags or biomedical devices. The elaboration of composite electrodes is an important lever to improve performance in terms of energy density and device durability. CVD grown SiNWs are compatible with a purely capacitive supercapacitor system, but their capacity can be improved with the addition of conducting polymers. This research presents the development of flexible nanocomposite electrodes for micro-supercapacitors based on silicon nanowires (SiNWs) and conducting polymers as PEDOT and his derivates. Conducting polymers can be deposited through aqueous micellar medium, which allows better morphology control as a thin film on the SiNWs surface. This morphological optimization results in better performances during electrochemical cycling. These new SiNWs nanocomposites and conductive polymers are then transferred to a flexible substrate based on carbon felts. The electropolymerization of EDOT on the flexible electrodes allows the nanocomposite electrode to provide a capacitance of 22 mF.cm-2 with electrochemical stability limiting the loss of capacity to 18% after 100,000 cycles in aqueous electrolyte. To overcome the constraints of a liquid electrolyte, a polymer electrolyte is also developed, based on functionalized polysiloxanes. It is deposited on the SiNWs for the evolution towards an all-solid-state device. The all-solid state system exhibits near 98% stability for 100,000 cycles at a voltage of 3.0 V