Academic literature on the topic 'Haute densité d’énergie'

Lorsqu’un fort flux laser traverse ou est réfléchi sur un composant optique, le couplage du rayonnement laser dans la matière (par absorption intrinsèque, par absorption sur des défauts locaux, ou par absorption non-linéaire) peut conduire à des effets irréversibles altérant la fonction optique du composant et pouvant même le rendre inutilisable. Ces modifications permanentes du matériau sont définies comme des « endommagements laser ». C’est un verrou technologique majeur à l’essor des sources lasers à haute puissance ou haute énergie, puisque qu’il limite la densité de puissance ou d’énergie accessible, affecte la durée de vie des composants optiques, ainsi que le coût de maintenance des chaînes laser.

Onze nouvelles molécules organiques de structure donneurs-espaceur-accepteurs (D-π-A) utilisées pour les cellules solaires organiques (OSC) basées sur la thiénopyrazine et le thiophène ont été étudiées par la théorie de la densité fonctionnelle (DFT) et la théorie de la densité fonctionnelle dépendante de temps DFT (TD-DFT), pour expliquer comment l’ordre de conjugaison influe sur les performances des cellules solaires. Le groupe accepteur d’électrons (ancrage) était composé de 2-cyanoacrylique pour tous les composés, tandis que l’unité donneuse d’électrons était variée et que son influence fut étudiée. Les résultats théoriques ont montré que les calculs TD-DFT, avec une fonction hybride d’échange – corrélation utilisant la méthode d’atténuation de Coulomb (CAM-B3LYP) en conjonction avec un modèle de solvatation à cycle continu polarisable (modèle de continuum polarisable, PCM) combinée avec la base 6-31G(d,p), était raisonnablement capable de prédire les énergies d’excitation, les spectres d’absorption et d’émission des molécules étudiées. Les niveaux d’énergie des orbitales moléculaires frontières (orbitale moléculaire occupée de plus haute énergie (HOMO) et orbitale moléculaire inoccupée de plus basse énergie (LUMO) de ces composés peuvent avoir un effet positif sur le processus d’injection et de régénération d’électrons. La tendance des lacunes calculées HOMO-LUMO se compare bien avec les données spectrales. En outre, les valeurs estimées de photovoltage en circuit ouvert (Voc) pour ces composés ont été présentées. L’étude des propriétés structurelles, électroniques et optiques de ces composés pourrait aider à concevoir des matériaux organiques photovoltaïques fonctionnels plus efficaces.

Ce mémoire est consacré à l’étude des composites à base de phosphates de type NASICON comme matériaux d’électrode pour batteries sodium-ion : Na1+xFexTi2-x(PO4)3/C et Na1+xFexSn2-x(PO4)3/C avec 0 ≤ x ≤ 1. Ces composites ont été synthétisés par voie solide suivie d’une pyrolyse avec le saccharose. Ils sont constitués de particules ayant une porosité élevée et enrobées par du carbone conférant à l’électrode une bonne conductivité ionique et électronique. Les mécanismes réactionnels se produisant lors des cycles de charge-décharge ont été analysés en mode operando par diffraction des rayons X, spectroscopies Mössbauer du 57Fe et de 119Sn et spectroscopie d’absorption X. Pour les composites fer-titane, ces mécanismes sont essentiellement basés sur la diffusion des ions Na+ dans les canaux des phases cristallisées avec changements d’état d’oxydation des métaux. Pour les composites fer-étain, les mécanismes sont plus complexes incluant insertion, conversion conduisant à la destruction des phases NASICON, puis formation d’alliages NaxSn. Les meilleures performances électrochimiques ont été obtenues pour Na1,5Fe0,5Ti1,5(PO4)3/C avec un potentiel de fonctionnement de 2,2 V vs Na+/Na0. Même si ces deux familles de matériaux peuvent être utilisées à plus bas potentiel, les performances doivent être améliorées pour envisager leur application comme électrode négative
This thesis is devoted to the study of phosphate based composites with NASICON type structure, that are used as electrode materials for sodium-ion batteries: Na1+xFexTi2-x (PO4)3/C et Na1+xFexSn2-x(PO4)3/C with 0 ≤ x ≤ 1. These composites were synthesized by solid state route followed by a pyrolysis reaction with sucrose. They consist of particles having high porosity and coated with carbon giving to the electrode good ionic and electronic conductivity. The reaction mechanisms occurring during charge-discharge cycles were analyzed in operando mode, by X-ray diffraction, 57Fe and 119Sn Mössbauer spectroscopies and X-ray absorption spectroscopy. For the iron-titanium composites, the mechanisms are essentially based on the diffusion of Na+ in the channels of the crystalline phases with changes of transition metal oxidation state. For iron-tin composites, the mechanisms are more complex including insertion, conversion leading to the destruction of the NASICON phases and then reversible formation of NaxSn alloys. The best electrochemical performances were obtained for Na1,5Fe0,5Ti1,5(PO4)3/C with an operating potential of 2.2 V vs. Na+/Na0. Although these two types of materials can be used at lower potential, the performances must be improved to consider their application as the negative electrode

Un des enjeux de la transition énergétique est de disposer de systèmes de stockage denses en énergie, abordables, et conservant une bonne capacité pendant de nombreux cycles, afin d’aider à la décarbonation des transports. A l’anode des systèmes Li-ion, le silicium (Si) est un bon candidat pour le remplacement du graphite commercial grâce à sa capacité 10 fois plus élevée. Les mécanismes de dégradation du Si empêchent le déploiement à grande échelle. L’objectif de ce travail est d’optimiser les caractéristiques des matériaux pour la réalisation d’anodes performantes. Deux voies d’optimisation sont suivies : la réduction de la taille des particules et le dépôt d’une couche de carbone en surface du Si. La technique de synthèse employée est la pyrolyse laser à double étage, une technique de synthèse souple qui permet d’optimiser facilement les conditions de la réaction. Une gamme de tailles de particules comprise entre 29 nm et 107 nm est obtenue et les particules de 53 nm présentent les meilleures performances. Des nanoparticules de morphologie cœur-coquille (Si@C) de 29 nm sont obtenues en une étape par le dépôt d’une coquille de carbone en surface à des quantités maximales de 19 m%. Le carbone permet une meilleure rétention de capacité puisque 81 % de la capacité est conservée au bout de 50 cycles pour Si@C, contre 72 % pour Si. Une étude fondamentale par SIE et XPS a permis d’identifier que la composition chimique plus organique de la couche d’interface de Si@C, comparé à Si, permet la meilleure rétention de capacité observée pour Si@C. Une autre stratégie de stabilisation consiste à créer des alliages SiGe pour tirer parti de la meilleure stabilité du germanium. Plusieurs compositions d’alliages ont été synthétisées par pyrolyse laser. Elles montrent toute la formation d’une structure de type SiGe@Si. Les capacités obtenues sont supérieures à l’état de l’art pour une composition d’alliage proche de Si₀,₅Ge₀,₅
Performing energy storage devices need to be developed in the context of Energy transition. Such systems have to maintain high energy density during a large number of cycles, to meet the challenge of clean transportation. Silicon (Si) is a good candidate for Li-ion systems anodes’ with its capacity which is 10 times higher than commercial graphite. However, silicon degradation mechanisms impede wide commercial deployment. The objective of this work is to optimize characteristics of Si to obtain performing anodes. Two strategies are employed to achieve this goal: the size reduction of Si particles and the deposition of a carbon coating on the silicon surface. The synthesis technique in this work is double stage laser pyrolysis which allows the tunable synthesis of nanoparticles. A wide range of nanoparticles, with diameters from 29 nm to 107 nm, is obtained and the best trade-off on performance is obtained for 53 nm particles. Nanoparticles with core@shell morphology (Si@C), with 29 nm diameter are obtained in one-step, the carbon representing 19 % of the total mass. The carbon coating allows a better capacity retention as 81 % of the capacity is conserved for Si@C compared to 72 % of the capacity conserved for Si particles. A fundamental study by EIS and XPS enlightens the role of the more organic chemical composition of the interphase between the solid and the electrolyte for the stabilization of the Si@C particles. Another strategy for stabilization is the design of SiGe nanostructured alloys to take advantage of the germanium stability in anodes. Several alloy compositions have been synthetized by laser pyrolysis. All alloy composition exhibit an original SiGe@Si core-shell structure which may explain the better performance obtained, compared with the state of the art

Les travaux réalisés au cours de cette thèse s’inscrivent dans le cadre de la recherche de matériaux innovants en tant qu’électrodes positives pour les batteries Li ion, et plus particulièrement dans le système Li-Mn-O avec l’étude du composé nanostructuré Li4Mn2O5, qui est au cœur de ce projet. Nous nous sommes concentrés sur l’optimisation de la synthèse, les caractérisations physicochimiques, structurales et électrochimiques de ce nouveau matériau obtenu à l’échelle nanométrique. Ce matériau présente une structure de type rock salt désordonné et déficitaire en oxygène. Une capacité de première charge supérieure à trois ions lithium extraits (380 mAh/g), et une capacité réversible de 2. 7 ions lithium, soit 330 mAh/g est observée après quelques cycles. Une étude basée sur le calcul du moment magnétique effectif du manganèse à partir des courbes de susceptibilité magnétique sur des matériaux à différents états de charge et de décharge nous a permis de montrer la participation des couples redox suivants : Mn3+/Mn4+/Mn5+ et O2-/O22- au cours des processus électrochimiques. Nous avons également montré la possibilité d’insérer de l’oxygène dans cette matrice sans changements structuraux, que nous avons comparé au matériau nanostructuré Li2MnO3 de structure rock salt ordonnée. Ce dernier s’est révélé être également extrêmement intéressant puisqu’il présente des capacités réversibles supérieures à 290 mAh/g
The work realized during this PhD project is involved in the context of research of new materials as positive electrode for Li ion batteries, more precisely in the Li-Mn-O system based on the study of the nanostructured Li4Mn2O5 material. We focused on the optimization of the synthesis, on the chemical, physical, structural and electrochemical characterizations of this new material obtained at the nano scale. This material crystallizes in a disordered rock salt type structure with oxygen vacancies. The first charge capacity is larger than three lithium ions extracted (380 mAh/g), and with a reversible capacity of 2. 7 lithium ions, that to say 330 mAh/g are observed after few cycles. A study is based on the determination of the effective magnetic moment of the manganese from the magnetic susceptibility curves on materials at various charged and discharged states allow us to point out the activity of the following redox couples : Mn3+/Mn4+/Mn5+ et O2-/O22- during the electrochemical processes. Furthermore we indicate the possibility to insert oxygen in the matrix without structural change, and we compare it with the nanostructured material Li2MnO3 characterized by an ordered rock salt type structure. With reversible capacities higher than 290 mAh/g, the latter has proved to be attractive

La demande croissante de stockage d'énergie a stimulé des recherches extensives pour la chimie de batteries moins chers et plus durables, tels que le Na-ion. L'un des défis majeurs pour l'application pratique des batteries Na-ion est les performances insuffisantes de cathode, notamment en termes de densité d'énergie. Les oxydes lamellaires de sodium du type O3 sont prometteurs en termes de densité d'énergie, mais ils souffrent d'une cyclabilité insuffisante et d'une mauvaise stabilité à l'humidité. Dans ce contexte, cette thèse se concentre sur la synthèse et la caractérisation de cathodes avancées de type O3 fabriquées à partir de éléments à bas coût qui pourraient dépasser ces limites. Le système Na(Cu,Fe,Mn)O2 comprenant des centres redox à haute tension tels que Fe et Cu est systématiquement étudié, présentant une cyclabilité insatisfaisante qui se révèle provenir de processus d’oxydoréduction inhabituels et de processus structurels à des tensions élevées. Ensuite, la co-substitution de Cu et Ti dans le système NaNi0,5Mn0,5O2 est étudiée, montrant une cyclabilité et une stabilité à l'humidité améliorées. Les compositions optimales identifiées sont compétitives pour l'application, comme le démontre un prototype au format « 18650 ». Enfin, la possibilité d'utiliser l'oxygène comme centre redox pour une capacité élevée est examinée par l'exemple d'une phase O3-NaLi1/3Mn2/3O2 nouvellement obtenue, qui est également utilisée comme composé « modèle » pour approfondir notre connaissance du mécanisme fondamental du redox anionique
The increasing demand for energy storage has stimulated extensive research for cheaper and more sustainable battery chemistries, such as Na-ion. One of the major challenges of the practical application of Na-ion batteries is the insufficient performances of cathode materials, especially in terms of energy density. O3-type sodium layered oxides are promising in terms of energy density, but they suffer from insufficient cyclability and poor moisture stability. In this context, this thesis focuses on the synthesis and characterization of advanced O3-type cathodes made from cheap constitutions which could overcome these limits. First, the Na(Cu,Fe,Mn)O2 system comprising high-voltage redox centers such as Fe and Cu is systematically studied, exhibiting unsatisfactory cyclability which is revealed to originate from structural and unusual redox processes at high voltages. Next, the Cu and Ti co-substitution in NaNi0.5Mn0.5O2 system is investigated, showing improved cyclability and moisture stability. The optimal compositions are competitive for utility as demonstrated by a 18 650 prototype. Lastly, the possibility of using oxygen as redox center for high capacity is also examined by the example of a first achieved O3-NaLi1/3Mn2/3O2 phase, which is also used as a model compound to deepen our understanding of the fundamental anionic redox mechanism

Cette thèse traite du nouveau domaine très prometteur qu’est l’astrophysique de laboratoire et a pour but de renforcer le lien entre expériences à l’aide de lasers de puissance et situations astrophysiques. Tout d’abord je justifie l’approche de l’astrophysique de laboratoire en élaborant de nouvelles lois d’échelle en hydrodynamique radiative à partir de la théorie des groupes de Lie. Pour la première fois, il est montré rigoureusement que les plasmas en présence de rayonnement en astrophysique peuvent être reproduits de manière homologue en laboratoire par des plasmas laser. Cette étude m’a conduit à proposer un nouveau projet expérimental (le projet POLAR) qui vise à mieux comprendre la physique de la colonne d’accrétion des variables cataclysmiques magnétiques. Ce projet est l’un des premiers visant à la création d’une véritable maquette d’un objet astrophysique. Dans un second temps, j’ai construit un ensemble de nouvelles solutions auto-semblables décrivant la dynamique des gaz polytropiques et le collapse radiatif à partir de la transformation de Burgan-Feix-Munier. Je montre explicitement que cette dernière apparaît comme une méthode unificatrice permettant de générer un ensemble complet de solutions auto-semblables. Ces solutions m’ont permis d’appréhender la physique de base des phénomènes mis en jeu ainsi que de valider le code de simulation numérique que j’ai développé au cours de cette thèse. Elles se révèlent également adaptées à la modélisation des expériences de jets de laboratoire réalisées auprès de l’installation LULI2000 dont l’objectif est la reproduction des phénomènes d’éjection de plasmas que l’on rencontre autour des étoiles jeunes
This thesis deals with the very promising new field of laboratory astrophysics. It aims at strengthening the link between powerful laser experiments and astrophysical situations. Firstly I explained the laboratory astrophysics approach by developing new scaling laws in radiative hydrodynamics using the Lie group theory. For the first time it is strictly proved that radiating plasmas in astrophysics can be reproduced homologously in laboratory by laser plasmas. This study led me to propose a new experimental project – the POLAR project – which aims at a better understanding of the physics of the magnetic cataclysmic variables accreting column. This project is among the first ones trying to create a real model of an astrophysical object. Then I built a group of new self-similar solutions describing the dynamics of polytropic gases and the radiating collapse using the Burgan-Feix-Munier transformation. I explicitly showed that the latter seems to be a unifying method which allows to generate a whole group of self-similar solutions. These solutions allowed me to study the basic physics of the phenomena at stake and to validate the numerical simulation code I developed during the thesis. These solutions also proved to fit the modelling of the laboratory jet experiences carried out with the LULI2000 facility, the aim of which was to reproduce the plasma ejection phenomena encountered around young stars