Réseau sur le stockage électrochimique de l'énergie,
centre de recherche sur les batteries et supercondensateurs
Théorie

Le groupe théorie du RS2E regroupe un ensemble de chimistes dont l’expertise va des méthodes de Chimie Quantique (échelle microscopique) aux méthodes de Continuum (échelle macroscopique), en passant par les méthodes de Dynamique Moléculaire ou les méthodes dites à « Gros Grains » (échelle mésoscopique). Il a pour but de fédérer les théoriciens français – aujourd’hui localisés dans 7 régions différentes de France – autour de projets communs, en adéquation avec les recherches expérimentales menées dans les autres groupes thématiques du réseau.  Il se réunit régulièrement pour dresser le bilan des actions de recherche en cours, mais aussi pour établir de nouveaux projets et initier de nouvelles collaborations.

 

Ses objectifs scientifiques visent à accompagner, orienter, aiguiller les expérimentateurs et industriels du réseau dans leur quête de nouveaux dispositifs électrochimiques plus performants – via le couplage théorie / expérience – mais aussi à comprendre, interpréter, prédire les mécanismes électrochimiques mis en jeu dans ces systèmes complexes. Outre les enjeux économiques et écologiques liés aux dispositifs de stockage électrochimique de l’énergie, les questions soulevées par les recherches expérimentales du RS2E lancent de nouveaux défis aux théoriciens pour développer des outils capables  (i) de décrire les systèmes au plus près des conditions expérimentales, (ii) d’établir des corrélations entre structures et propriétés, (iii) de comprendre les phénomènes rédox à différentes échelles spatiales et temporelles ou encore (iv) de proposer de nouveaux concepts permettant d’envisager d’autres formes de stockage électrochimique de l’énergie. Les recherches du groupe s’articulent donc naturellement autour d’un axe méthodologique et d’un axe applicatif, tous deux déclinés selon trois thèmes principaux :

  • Le couplage Théorie/Expérience : ce thème est particulièrement important puisqu’il permet de valider les méthodes de calculs utilisées pour reproduire les données expérimentales et, le cas échéant, de les améliorer par des développements adaptés. Il permet aussi d’analyser quantitativement les données obtenues pour des systèmes complexes comme les défauts ponctuels, la réactivité des surfaces / interfaces, les mécanismes rédox, les phénomènes de diffusion etc … Les confrontations théorie/expérience se font grâce au calcul de grandeurs thermodynamiques et/ou cinétiques et de simulations de spectroscopies diverses (RMN, XPS, XRD, Mössbauer, etc…). L’évolution des systèmes est également envisagée via les approches dynamiques, dépendantes du temps.

  • Le « Génome à la Française » : pour concevoir des matériaux toujours plus performants, les méthodes combinatoires se placent aujourd’hui au cœur de la compétition internationale. Une autre approche, plus intuitive, consiste à établir un cahier des charges précis auquel les matériaux d’électrode sont soumis, et de le transcrire en concepts clés qui seront introduits dans des procédures de prédiction structurale.

  • Les Approches Multi-Echelles : comprendre les processus de dégradation des différents éléments d’une batterie est un véritable défi pour les théoriciens. Une stratégie possible consiste à déterminer des indicateurs de défaillance, véritables signatures de l'état de santé de ces dispositifs, de manière à prévenir la dégradation des batteries et pourquoi pas, à proposer des alternatives à cette dégradation. Les approches multi-échelles (spatiales et temporelles) sont les seules capables de répondre à ce besoin. Elles permettent de traduire, à un niveau macroscopique, l’ensemble des mécanismes élémentaires survenant à l’échelle atomique.