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Sujet de stage / Master 2 Internship

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Supercondensateur ionique à charge thermique à électrodes VACNT (Vertically Aligned Carbon Nanotubes)

Spécialité : PHYSIQUE / Physique des matériaux

Contact : NAKAMAE Sawako,
e-Mail : sawako.nakamae@cea.fr,   Tel : +33 1 69 08 75 38/93 07
Laboratoire : /

Stage pouvant se poursuivre en thèse : Oui
Durée du stage : 0-5 mois
Date limite de constitution de dossier : 05/05/2020

Résumé :
Stage expérimental dans le domaine de la science des énergies renouvelables (récupération de la chaleur perdue). Développment et caractérisation de supercondensateurs à liquide ionique fabriqués avec des électrodes de carbone nanostructurées. Domaines d'étude: Physique, Science des matériaux, Physique des fluides, Chimie physique.

Sujet détaillé :
Les supercondensateurs stockent les charges électriques par la formation de doubles couches électriques (EDL) à l'interface électrolyte/électrode. Ils se caractérisent par des temps de charge/décharge plus courts que les batteries, mais ils souffrent d'une densité d'énergie stockée plus faible. Par conséquent, les supercondensateurs sont utilisés dans les applications à alimentation rapide et à basse tension, telles que les sauvegardes de mémoire volatile. Au contraire des supercondensateurs conventionnels qui sont chargés par l’application de tension électrique externe, les supercondensateurs ioniques à charge thermique (TISC) se chargent à l'aide de chaleur via les effets thermoélectriques à l'intérieur de l'électrolyte et de l'interface électrolyte/électrode (EDL). En tant que tel, le TISC fabriqué à partir de liquides ioniques fortement thermoélectriques est considéré comme une technologie alternative pour la récupération de chaleur perdue. La performance des TISC dépend de plusieurs paramètres clés; comme notamment, la tension thermoélectrique induite dans le liquide et la capacité de charge spécifique des électrodes. Une possibilité pour améliorer cette dernière est d'augmenter la surface effective de l'électrode par nanostructuration. Par exemple, les matériaux à base de nanotubes de carbone alignés verticalement (VACNT) sont des candidats prometteurs pour la construction d’un supercondensateur efficace. Cependant, les processus électrochimiques et physiques précis des TISC ne sont pas encore clairs, et il reste à déterminer si le TISC peut devenir concurrentiel par rapport aux autres technologies de stockage d'énergie thermosélectrochimique.
Le stage proposé au SPHYNX/SPEC/IRAMIS (UMR 3680 CEA-CNRS) et LEDNA/NIMBE/IRAMIS est principalement expérimental: caractérisation des propriétés thermoélectriques de dispositifs TISC utilisant des électrodes VACNT. L'étudiant participera également à l'élaboration de l'électrode. Plus précisément, il/elle effectuera des mesures thermoélectriques et capacitives, implémentera des techniques d'acquisition de données automatisées et analysera les données obtenues. L’étudiant(e) acquerira également une expérience pratique des techniques de base de caractérisation électrochimique (voltamétrie cyclique et mesures d’impédance). La synthèse des électrodes se déroulera au sein du LEDNA, en utilisant leur processus « one-step » développé pour la croissance directe et contrôlée de nanotubes de carbone denses alignés verticalement. En plus de ces responsabilités principales, l’étudiant aura également l’occasion d’apprendre des techniques de caractérisation de matériaux telles que la microscopie électronique à balayage, la spectroscopie photoélectronique à rayons X et la microscopie électronique à transmission (au LEDNA). Pour un.e candidat.e motivé.e, la participation à l’investigation numérique des interactions liquide ionique-électrode par la technique de simulation de Monte Carlo peut également être envisagée. En fonction de l’avancement des travaux, ce stage peut être converti en thèse dans laquelle une comparaison systématique des phénomènes thermoélectriques à la morphologie (les arrangements de nanotubes, longueurs, distribution diamètre/densité, etc.) sera effectuée afin de comprendre les mécanismes physiques et électrochimiques à l’origine de la conversion thermoélectrique dans les supercondensateurs ioniques.
Techniques utilisées au cours du stage :
Caractérisation des propriétés thermoélectriques Caractérisation électrochimique (voltamétrie cyclique et mesures d’impédance) Synthèse des électrodes VACNT Caractérisation des électrode (MEB, XPS, TEM..)

Mots clés : Thermoélectricité, nanomatériaux, énergie renouvelable, thermodynamique

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