Comprendre l'adsorption d'espèces chargées confinées
Les batteries et les condensateurs électriques à double couche (EDLC) sont des dispositifs de stockage d'énergie électrochimique qui se distinguent par leur mécanisme de stockage de charge individuel. Ils sont tous deux principalement composés de deux électrodes et d'un électrolyte contenant des ions, cependant, le mécanisme par lequel les ions et les électrodes interagissent est nettement différent.
Dans une batterie, lors de l’insertion, les ions de l'électrolyte se séparent de leur enveloppe de solvatation avant de s’insérer dans le matériau de l'électrode, où ils subissent des réactions dites d'oxydoréduction dans lesquelles les charges sont transférées entre l'électrode et les ions. En revanche, dans un EDLC, les ions solvatés sont adsorbés à la surface de l'électrode et forment une double couche électrique, dans laquelle les charges sont séparées entre l'électrode et les ions. Ces différences font que les batteries peuvent stocker de grandes quantités d'énergie, tout en prenant de longs temps pour se charger et se décharger, alors que c'est l'inverse qui se produit dans l'EDLC.
Les deux mécanismes de stockage de charge ont été strictement séparés pendant des décennies, mais dans une publication récente dans "Nature Energy", Fleischmann, et al suggèrent maintenant qu'il peut y avoir une transition continue entre eux. Dans les matériaux d'électrodes poreux et stratifiés, les ions peuvent être adsorbés tout en n'étant que partiellement solvatés, selon la taille et la géométrie du pore ou de l'espace intercouche. Les chercheurs suggèrent que dans cette région dite de nanoconfinement, les processus de stockage de charge peuvent se situer sur un spectre entre la formation classique d'une double couche électrique et les réactions d'oxydoréduction de type batterie, en fonction du niveau de solvatation des ions. Dans cette région de nanoconfinement, des processus de stockage de charge dits pseudocapacitifs peuvent être observés.
Le fait de combler le fossé entre les batteries classiques et les EDLC offre la possibilité de combiner le "meilleur des deux mondes" : Des dispositifs de stockage d'énergie électrochimique combinant énergie et puissance élevées.
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Simon Fleischmann est un chercheur à l'Institut Helmholtz d'Ulm et à l'Institut de technologie de Karlsruhe en Allemagne, où il a lancé un groupe de recherche indépendant financé par le ministère fédéral allemand de l'Éducation et de la Recherche.
Simon a d'abord étudié la science et le génie des matériaux à l'Université de la Sarre à Saarbrücken, en Allemagne, et à l'Université de technologie de Luleå, en Suède, et a obtenu son diplôme de master en 2016. Il a effectué une thèse à l'INM - Institut Leibniz pour les nouveaux matériaux et à l'Université de la Sarre dans le groupe du professeur Volker Presser, où il a étudié les matériaux et les dispositifs hybrides de stockage d'énergie électrochimique. Il a obtenu son doctorat en 2018. Ensuite, il a passé près de deux ans comme postdoc dans le groupe du Prof. Veronica Augustyn à l'Université d'État de Caroline du Nord aux États-Unis, où ses recherches ont porté sur la synthèse et le mécanisme de stockage de charge dans les matériaux fonctionnalisés par des couches intermédiaires.
Simon a rejoint le RS2E au début de 2021 dans le groupe du Prof. Patrice Simon à l'Université Paul Sabatier & CIRIMAT dans le cadre du RS2E Young Energy Storage Scientist Award (YESS AWARD). Son projet consistait à étudier le mécanisme de stockage de charge dans un matériau d'électrode modèle stratifié, le disulfure de titane, par des méthodes de diffraction in situ et de spectroscopie d'impédance électrochimique.
"Mon expérience avec le RS2E a été fantastique, tant sur le plan scientifique que personnel. J'ai pu apprendre beaucoup et développer de nouvelles compétences sous la supervision du professeur Simon, notamment dans le domaine de la spectroscopie d'impédance électrochimique. En outre, j'ai vraiment apprécié l'atmosphère conviviale de l'institut de recherche et la belle ville de Toulouse."