Réseau sur le stockage électrochimique de l'énergie,
centre de recherche sur les batteries et supercondensateurs
Les nouvelles chimies
Responsable : Romain Berthelot (ICGM)

La mission essentielle du RS2E étant de se positionner dans le futur, on comprend mieux pourquoi la thématique «nouvelles chimies» constitue un axe stratégique du réseau.  Ce désir d’explorer l’après Li-ion est motivé par plusieurs facteurs que sont le désir d’anticiper l’alternative Li en raison de ses réserves limitées et du problème géopolitique qu’il engendre, de développer des technologies plus aptes au concept du développement durable, d’explorer des systèmes capables d’offrir des avantages conséquents tant au niveau des performances énergétiques que du coût et  de réaliser des systèmes à risque minimum. C’est dans ce cadre que se situe les recherches que nous menons sur la technologie Na-ion, les technologies Li-air et Li-S, les systèmes REDOX à électrolyte circulant (e.g., redox flow en anglais) et tout solide. Les études que nous menons visent principalement à établir une connaissance fondamentale de chaque système tant au niveau du matériau que des interfaces et des électrolytes afin de pouvoir identifier les limitations et par la même développer des stratégies pour les contourner. L’objectif final étant bien sûr de faire déboucher ces études vers la construction de prototypes. Vu la diversité des systèmes considérés, cette thématique est animée au niveau des systèmes Redox Flow par P. Barboux et du tout solide par Virginie Viallet. Les différents systèmes étudiés sont décrits ci-dessous un par un, l’accent étant mis sur la valeur ajoutée que nous y apportons.

  • Redox Flow: Ces accumulateurs sont constitués de 2 ½ cellules, l’une pour l’oxydation, l’autre pour la réduction, séparées par une membrane échangeuse d’ions. Leur intérêt provient principalement des possibilités de découplage puissance énergie (nombre et taille des cellules vs.concentration et volume des catholytes et anolytes). Nos recherches visent le développement de nouvelles configurations, nouvelles membranes, nouveaux couples sans pour autant négliger l’aspect fluidique du système et son coût. Ce projet profite d’interactions fructueuses avec le club d’industriels. 

  • Tout Solide: Ces accumulateurs reposent sur l’assemblage d’électrodes et d’électrolytes solides, les difficultés majeures résidant dans la maîtrise des interfaces, du «design» de conducteurs ioniques plus performants, et dans l’assemblage. C’est sur ces aspects que nous travaillons ayant la chance de disposer d’un Spark Plasma Sintering (SPS) pour l’assemblage.  

 

  • Na-ion: Son principe est totalement calqué sur celui du Li-ion, la seule différence étant qu’il utilise le Na qui est un élément moins coûteux et plus abondant que le lithium. Nos efforts sont consacrés à l’identification des matériaux d’électrodes les plus adéquats et des électrolytes les plus stables mais aussi à l’étude de la SEI mais surtout à l’évaluation des systèmes complets tant au niveau performance que sécurité.

  • Li-air : Il s’agit de la technologie qui suscite aujourd’hui le plus d’engouement en raison de sa densité d’énergie 10 fois supérieure au Li-ion. Cependant, elle rassemble en elle les deux échecs électrochimiques de ce dernier siècle que sont l’électrode à oxygène des piles à combustible et l’électrode à Li. Nos recherches visent à l’établissement d’une plateforme de connaissances sur les mécanismes réactionnels afin de proposer des alternatives tant au niveau des électrolytes utilisés que de l’électrode négative.

  • Li-S: Vieille de plus de 40 ans, cette technologie refait surface sans que ses problèmes inhérents, comme la solubilité des polysulfures, aient été maîtrisés. Sa valeur ajoutée se situe comme la technologie Li-air au niveau de la densité d’énergie. Si-ion ? produit aujourd’hui des accumulateurs Li-S de 340 Wh/kg dont la durée de vie est encore limitée (100 cycles). Nos recherches visent actuellement à innover dans la configuration de tels accumulateurs tant au niveau de la membrane que des électrolytes.

Parmi les technologies évoquées, qui n’ont rien de nouvelles car déjà étudiées dans le passé mis à part Na-ion, on soulignera que les études effectuées sur Li-S, Li-air et Na-ion se font respectivement dans le cadre d’un contrat Européen «EUROLIS», d’une «Task Force» Li-air et en conjonction avec ALISTORE-ERI pour Na-ion.