Étude des supercondensateurs par dynamique moléculaire : un modèle tout-atome et polarisable de l'électrolyte - CNRS - Centre national de la recherche scientifique Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2022

Study supercapacitors by molecular dynamics : an all-atom and polarised model for the electrolyte

Étude des supercondensateurs par dynamique moléculaire : un modèle tout-atome et polarisable de l'électrolyte

Résumé

Ncreasing the energy density of supercapacitors is an active research topic to make their use more common. To achieve this, the adsorption of ions from the electrolyte onto charged electrodes, which is the phenomenon at the origin of the electrochemical storage, must be understood. The aim of this thesis is to characterize the electrochemical double layer, i.e. the interface between the electrolyte and the electrodes, using classical molecular dynamics, a technique allowing to simulate the system at the atomistic scale. An all-atom and polarizable model for the ionic liquid EMIM-TFSI used as electrolyte has been adopted together with electrodes of simple geometry, graphite planes held at fixed potential. Simulations using this model, which is more realistic than in previous studies, show that the resulting layered structure does not exhibit over-screening phenomena, as predicted by theory. In fact, the successive layers of ions at the interface result from preferential ion orientations that persist over several nanometers. Furthermore, the layered structure reduces as the short-range interactions between the ions and the electrodes increase or if polarization effects of the electrolyte are taken into account. In addition, increasing short-range interactions decreases the energy density, while adding polarization effects accelerates the charging dynamics. In a second step, systems with more realistic electrodes have been studied : nanoporous carbons. The exchange between co-ions and counter-ions is the predominant phenomenon during the charging of the system, for ionic liquid-based electrolytes with and without solvents.
L’augmentation de la densité d’énergie des supercondensateurs est un sujet de recherche actif dans le but de rendre leurs utilisations plus courantes. Pour y parvenir, la compréhension du phénomène à l’origine du stockage électrochimique, l’adsorption d’ions de l’électrolyte sur des électrodes chargées, est nécessaire. L’objet de cette thèse est de caractériser la double couche électrochimique, c’est-à-dire l’interface entre l’électrolyte et les électrodes, par dynamique moléculaire classique. Cette technique permet de simuler ces systèmes à l’échelle atomique, ici avec un modèle tout-atome et polarisable pour le liquide ionique EMIM-TFSI comme électrolyte et d’électrodes de géométrie simple, des plans de graphite maintenus à potentiel constant. L’utilisation de ce modèle, plus réaliste que lors des études précédentes, montre que la structure en couche obtenue ne présente pas de phénomènes de surécrantage, comme cela est prédit par la théorie. En réalité, les couches d’ions successives à l’interface résultent d’orientations préférentielles des ions qui persistent sur plusieurs nanomètres. Par ailleurs, la structure en couche se réduit lorsque les interactions à courte portée entre les ions et les électrodes s’intensifient ou si les effets de polarisation de l’électrolyte sont pris en compte. De plus, l’augmentation des forces à courte portée diminue la densité d’énergie, tandis que l’ajout des effets de polarisation accélère la dynamique de charge. Dans un second temps, des systèmes avec des électrodes plus réalistes ont été étudiés : des carbones nanoporeux. L’échange entre co-ions et contre-ions est le phénomène prépondérant lors de la charge du système, pour des électrolytes à base de liquide ionique avec et sans solvants.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03882039 , version 1 (02-12-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03882039 , version 1

Citer

Camille Bacon. Étude des supercondensateurs par dynamique moléculaire : un modèle tout-atome et polarisable de l'électrolyte. Chimie théorique et/ou physique. Sorbonne Université, 2022. Français. ⟨NNT : 2022SORUS301⟩. ⟨tel-03882039⟩
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