Academic literature on the topic 'Interface d'électrode solide'

Bien que l'humanité lutte contre le défi pressant des émissions de gaz à effet de serre, l'importance des solutions énergétiques durables devient de plus en plus évidente. Les batteries au lithium-ion, considérées comme une avenue prometteuse pour stockage d'énergie électrique, sont essentielles pour l'électronique intégrée, le transport électrique et la production irrégulière à partir de sources renouvelables telles que l'éolien, la géothermie et le solaire. Cependant, leur adoption généralisée dépend de deux facteurs critiques principaux tels que la non-disponibilité du lithium dans la croûte terrestre et sa difficulté d'extraction. De plus, batteries au lithium-ion doivent stocker plus d'énergie et se recharger rapidement. Peut-être que l'exigence de haute capacité des batteries au lithium-ion pourrait être satisfaite en étudiant composants clés du lithium-ion, en particulier les électrodes d'anode (négative) et cathode (positive). Dans ce cadre, l'étude des composés d'intercalation du graphite (GIC) émerge comme un domaine essentiel, offrant des perspectives pour améliorer capacité de l'électrode d'anode où le graphite est le matériau hôte, d'où le nom GIC.Essentiellement, le GIC, qui appartient aux matériaux stratifiés, implique l'insertion régulière d'atomes, d'ions ou de molécules invités entre les couches graphite. Dans le contexte du GIC, travaux théoriques et expérimentaux ont été réalisés dans le but de comprendre et de relever les défis des batteries au lithium-ion. Par exemple, chercheurs ont exploré l'utilisation d'autres métaux alcalins (AM) tels que le sodium (Na) et le potassium (K) en remplacement du lithium (Li). Cependant, premiers semblent avoir une capacité réduite, en particulier dans cas du sodium (Na), où le composé totalement sodié est connu pour ne pas former. De plus, alors que les matériaux entièrement lithiés du GIC-Li ont été bien étudiés et caractérisés, les phénomènes en régime de concentration diluée ou faible demeurent évasifs. De même que pour le lithium, peu ou pas d'informations sur le régime de concentration diluée sont connues pour le GIC-K. En fait, le potassium (K) a été signalé pour occuper les interstices du graphite de manière désordonnée sans aucune stœchiométrie établie entre le carbone et le potassium. De plus, dans ce régime, des questions telles que l'évolution de l'environnement local AM en fonction de concentration, la concentration en AM à laquelle le l'empilement de graphite pur (AB ou Bernal) passe à l'empilement totalement lithié (AA ou hexagonal) pendant la lithiation, le mécanisme qui entraîne l'intercalation, et bien d'autres questions restent ouvertes dans le domaine des composés d'intercalation du graphite de métal alcalin (AM-GIC).Par conséquent, dans ce mémoire de thèse, nous avons mené une étude numérique approfondie sur à la fois le GIC-Li et le GIC-K la phase dense aux phases diluées en utilisant le formalisme de la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT). L'objectif de ce travail est de comprendre l'intercalation des AM (Li, Na et K) dans le graphite avec un accent particulier sur le régime dilué. Bien que notre outil DFT ait révélé que peu de calculs pouvaient être effectués avec Na en raison de son coût computationnel élevé, nous nous sommes concentrés sur Li et K pour lesquels des comportements différents sont rapportés dans les expériences. Utilisant l'outil DFT, nous avons montré que l'interaction entre Li et K dans la galerie du graphite n'est pas simplement électrostatique comme on l'a supposé jusqu'à présent. De plus, dans le régime dilué, les AM déforment localement la feuille de graphite pour éviter une surcompression par les atomes de carbone. Cette déformation structurelle est différente dans le graphite AB et AA. Nous avons utilisé cette différence structurelle observée entre le graphite AB et AA pour étayer la transition de l'empilement AB à l'empilement AA lors de l'intercalation de Li sur base des calculs d'énergie totale de la DFT
As humanity grapples with the pressing challenge of greenhouse gas emissions, the significance of sustainable energy solutions becomes increasingly evident. Lithium-ion (Li-ion) batteries, hailed as a promising avenue for electricity energy storage,which is critical for embedded electronics, electric transportation, and irregular production from renewable sources such as wind, geothermal, solar. e.t.c. However, their widespread adoption hinges on two main critical factors such as the non-availability of Li in the Earth’s crust and its difficulty in extraction. Hence, its supply may lead to future conflicts. Apart from these, Li-ion batteries are required to store more energy, that is, have better capacity and also charge quickly. Perhaps, the high capacity requirement of Li-ion batteries could possibly be met by investigating into the key components of Li-ion, specifically the Anode (negative) and Cathode (positive) electrodes. These electrodes host the Li-ions that move in opposite direction to electric current during charge and discharge. Within this framework, the study of graphite intercalation compounds (GICs) emerges as a pivotal field, offering insights into enhancing the capacity of specifically the Anode electrode where graphite is the host material, hence the name GIC.Basically, GIC which belongs to layered materials, involves the regular insertion of guest atoms, ions, or molecule between the layers of graphite. In the context of GIC, both theoretical and experimental work have been carried out in a bid to understand and tackle the challenges faced with Li-ion batteries. For instance, researchers have tried to explore the use other Alkali Metals (AM) which are readily available such as Na, and K as substitutes for Li. However, the formers seems to have reduced capacity, particularly in the case Na, where fully Sodiated compound has been known not to form. Furthermore, while fully Lithiated materials of Li-GIC have been well studied and characterized, phenomena at dilute or low concentration regime remains elusive. Similar to the case of Li, little or no information about the dilute regime has been known for K-GIC. In fact, K has been reported to occupy graphite gallery in a disordered manner without any established stoichiometry between C and K. Furthermore in this regime, questions like (i) the local environment evolution of AM as a function of concentration, (ii) the AM content at which pristine graphite stacking (AB or Bernal) transit to the fully lithiated (AA or hexagonal) stacking during lithiation,(iii) the mechanism driving intercalation, and many more are still open questions in the field of Alkali Metal Graphite Intercalation Compound (AM-GIC).Therefore in this thesis manuscript, we conducted an extensive numerical study on both Li-GIC and K-GIC from the dense phase to dilute phases using the Density Functional Theory (DFT) formalism. The aim of this work is to understand the intercalation of AM (Li, Na, and K) into graphite with a particular emphasis on the dilute regime. Although with our DFT tool, we realized that not much calculations could be performed with Na due to its computational cost. Therefore, we focused on Li and K for which different behavior is reported in experiments. Hence pointing to different mechanisms at the atomic scale that we aim to capture with our approach. Using the DFT tool, we have shown that the interaction between Li and K in the graphite gallery is not merely electrostatic as assumed so far. Furthermore in the dilute regime, AM locally deforms the graphite sheet to avoid an over-compression by C atoms. This structural deformation is different in AB and AA graphite. We have used this observed structural difference between AB and AA graphite to substantiate the transition from AB to AA stacking during Li intercalation based on the total energy calculations from DFT

L'émergence du concept accepteur-donneur d'électrons en adhésion a constitué une avancée considérable dans la compréhension de la nature des interactions non-dispersives. L'importante contribution de F. M. Fowkes développée à partir des concepts de Drago et Gutmann nous permet de déterminer l'enthalpie exothermique de formation des liaisons acide-base à partir de la composante acide-base du travail d'adhésion. Fowkes et al. Ont supposé négligeable la contribution des effets entropiques impliqués dans la formation de l'interface. Cette hypothèse peut conduire à des erreurs importantes sur les résultats et les interprétations étant donné que ces effets entropiques qui dépendent des structures moléculaires et de la nature des interactions peuvent affecter de façon considérable l'énergie libre de Gibbs et sa composante enthalpique. Dans ce travail, le but est de développer une analyse cohérente des mesures de mouillabilité pour estimer de la façon la plus précise possible le caractère acide-base des interactions échangées à l'interface (liquide-liquide et solide-liquide). A travers une analyse thermodynamique simple des mesures effectuées en fonction de la température, la variation de la contribution entropique apparaît être d'un importance tant numérique que physique. Nos résultats coïncident avec la structure moléculaire des substrats et le caractère accepteur-donneur d'électrons des liquides sondes et supportent bien la comparaison avec les valeurs déterminées sur des solides similaires par des techniques usuelles telles que chromatographie gazeuse inverse, microcalorimétrie. . .

La faisabilite d'interface si/electrolyte solide est demontree. Avec des electrolytes polymeres a base de poly(oxyethylene), des mesures de capacite interfaciale montrent l'existence de couches d'accumulation geantes alors que la mobilite de ces electrons mesuree par transconductance diminue. Des pretraitements chimiques de la surface du silicium stabilisent l'interface vis-a-vis du vieillissement et permettent l'etude de la mobilite en fonction de la temperature et de la densite accumulee

Le disilane est utilisé comme source de silicium dans les procédés de dépôts chimiques en phase vapeur pour la préparation de composés Si-Ge. L'hydrogène est un sous-produit de la décomposition, thermique ou assistée, du disilane et intervient directement dans les mécanismes de dépôt. Nous avons étudié, par spectroscopie de photoémission UV et X et diffraction d'électrons lents, les interactions des gaz précédemment cités avec des surfaces de germanium. Au cours de l'interaction de l'hydrogène avec ces surfaces, nous avons montré et confirmé que la seule phase hydrogénée observée est la phase monohydrure GeH. Celle-ci désorbe aux environs de 150°C, quelle que soit la surface étudiée. Les soi-disant phases polyhydrures observées par d'autres auteurs et par d'autres techniques expérimentales sont sans doute liées à la contamination par des composés à base d'oxygène (OH, CO, H2O). A température ambiante, le disilane non dissocié ne s'adsorbe pas sur une surface de germanium. Nous n'observons un dépôt notable de Si que pour des températures supérieures à la température de désorption de l'hydrogène (150°C). En dissociant le disilane par un filament de tungstène chauffé à haute température, nous obtenons un dépôt nettement plus important (facteur 3). Pour des températures supérieures à 400°C, une interdiffusion silicium-germanium n'est pas à exclure. Le taux de dépôt le plus important est obtenu pour des températures voisines de 350°C. Nous avons pu mettre en évidence une croissance épitaxique de silicium au voisinage de ces températures sur les deux faces cristallines étudiées. A notre connaissance, nous avons réalisé pour la première fois, une épitaxie de silicium sur germanium à basse température par dissociation catalytique de disilane en LPCVD

L'intérêt éveillé par les cellules solaires à base de pérovskite dans la communauté photovoltaique (PV) est allé grandissant ces 10 dernières années, dû notamment aux excellentes propriétés opto-électroniques de ces matériaux, à la diversité de leurs applications potentielles et à leur attractivité économique.Cette technologie est attendue sur le marché du PV d'ici 2023, mais certains défis tels que la stabilité des cellules ou le passage à l'échelle industrielle restent à relever afin de garantir son industrialisation.Une stratégie consiste à optimiser les couches extractrices de charge qui doivent garantir une bonne sélectivité vis-à-vis des porteurs de charge et assurer une bonne interface avec la pérovskite.Le dépôt chimique en phase vapeur à flux alternés (Atomic Layer Deposition - ALD) est une méthode de dépôt industrielle permettant la synthèse de nombreux matériaux.Les films minces déposés par ALD sont denses, homogènes, sans piqûres, conformes, et leur épaisseur et leur composition peuvent être contrôlées à l'échelle nanométrique.L'ALD apparait donc comme un candidat idéal pour déposer ces couches extractrices de charge.Cette thèse s'est intéressée au développement et à la caractérisation de divers oxydes par ALD.Le SnO2 et le TiO2 ont été développés à l'Institut Photovoltaïque d'Île-de-France (IPVF) à partir de deux procédés pour chaque matériau.A partir des caractérisations des couches minces obtenues, un procédé a été retenu pour chaque matériau en vue d'une intégration dans un dispositif PV en tant que couches inorganiques extractrices d'électrons.L'intégration d'une couche compacte de TiO2-ALD (15 nm) dans une architecture mésoporeuse a été démontrée, et ses propriétés comparées à la couche compacte standard déposée par pyrolyse d'aérosol.Des efficacités de conversion similaires de 19% ont été montrées, ainsi qu'une meilleure homogénéité engendrant une meilleure reproductibilité des résultats; ce moyen de dépôt est maintenant utilisé pour les cellules de référence à l'IPVF.L'intégration du SnO2-ALD est aussi présentée.Une couche de 10 nm de SnO2 a montré des efficacités moyennes dues à un déficit dans le facteur de forme.L'ajout d'une couche organique a résolu ce problème et a permis d'atteindre des performances de 16%.Enfin, la modification de ZnO-ALD par des dérivés de l'acide phosphonique a été étudiée.L'organisation des molécules à la surface du ZnO, puis leur effet sur la croissance de la pérovskite ont été détaillés, mais les résultats de cellules complètes restent très faible
Perovskite solar cells have sparked a large interest in the photovoltaic community in the last 10 years due to their expedient optoelectrical properties, their vast scope of applications and their economical attractiveness.They are expected to reach the market by 2023, but challenges have to be tackled first, among which upscale and stability issues.To do so, a strategy is to work on the charge transport layers.They need to ensure a high selectivity towards one charge carrier, and have a good interface.Atomic layer deposition is an industrial deposition technique which allows for the synthesis of a large variety of materials.ALD layers are dense, homogeneous, conformal, pinhole-free and their thickness and composition can be controlled at the nano-scale.ALD hence appears as an ideal candidate to deposit the charge extraction layers.This thesis focuses on the development and on the characterization of various oxides by ALD.SnO2 and TiO2 have been developed at the Institut Photovoltaïque d'Île-de-France (IPVF) with two different processes for each material.Their properties in regard of an integration in perovskite solar cells as inorganic electron transport layers have been explored, and one process for each material has been chosen.The advantageous integration of a 15 nm-thick ALD-TiO2 layer has been demonstrated as compact blocking layer in a mesoporous architecture, and compared to a blocking layer deposited by spray pyrolysis.Similar power conversion efficiencies (PCE) up to 19% have been achieved, with a higher homogeneity of the ALD layer leading to a better reproducibility of the results now used in the baseline production at IPVF.The integration of ALD-SnO2 in planar structures is also discussed.The 10 nm-thick layer alone was found to give mediocre efficiencies due to a lack of fill factor.The addition of an organic interlayer solved this issue allowing for PCE up to 16%.Finally an analysis of the interface between ALD-ZnO modified by phosphonic acid derivatives and a perovskite absorber is proposed.The organization of the molecules at the surface of ZnO and their impact on the perovskite have been determined, but the performances of full devices are poor

Interfaces et durabilité des électrodes de pointe pour l'énergie (PAC et EHT)L'objectif de cette thèse concerne l'élaboration, par atomisation électrostatique, d'une électrode à oxygène à architecture innovante, basée sur un composite Ce0.9Gd0.1O1.95 (CGO) - La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ (LSCF) possédant un gradient de composition ou une composition homogène. Cette électrode a été déposée sur un substrat de zircone yttriée (YSZ = 8 % mol. Y2O3-ZrO2) sur laquelle, a été intercalée au préalable une couche barrière mince et dense de CGO. Cette électrode possède une microstructure innovante, à porosité élevée permettant d'obtenir une grande surface active qui devrait conduire à l'amélioration des performances électrochimiques. Le comportement électrique de l'électrode a été étudié par spectroscopie d'impédance en fonction de la température et sous air. Une description microstructurale détaillée a été effectuée à l'aide d'un modèle de reconstruction 3D obtenu par -MEB équipé d'une sonde ionique focalisée et par nanotomographie X. Ces propriétés microstructurales ont été reliées aux propriétés électriques. Les propriétés mécaniques et tribologiques de cette électrode composite ont été déterminées par des tests du scotch et ultra-microindentation. Finalement, des tests de durabilité ont été effectués sur une électrode de grande taille possédant une surface active de 45 cm2 jusqu'à 800 h à environ 770°C, dans une cellule complète de configurations PAC et fonctionnant respectivement sous H2 et un mélange H2/H2O
Interfaces and durability of advanced electrodes for energy (IT-SOFC and SOEC)The objective of this PhD thesis is to fabricate advanced oxygen electrode based on Ce0.9Gd0.1O1.95 (CGO) and La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ (LSCF) with graded and homogeneous composition onto yttria-stabilized zirconia (YSZ = 8 mol. % Y2O3-doped ZrO2) electrolyte using electrostatic spray deposition. A thin and dense layer of CGO was inserted between LSCF and YSZ to serve as a barrier diffusion layer. The novel microstructure with high porosity and large surface area is expected to improve the electrochemical performances. The electrical behavior of the electrode was investigated by impedance spectroscopy versus temperature in air. A detailed microstructural description was performed by 3D reconstructed model from FIB-SEM and X-ray nanotomography and related to electrical properties. The mechanical analysis was performed by scratch and ultramicroindentation tests. Finally, durability tests were performed on the electrode with 45 cm2 oxygen active area, up to 800 h at around 770°C, in full cell SOFC and SOEC configurations operating respectively in H2 and H2/ H2O mixture