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

La lumière se lève sur ROCK

La lumière se lève sur ROCK
 
Pour avancer plus vite sur nos recherches sur le stockage de l'énergie de demain, nous avons mis en place de nombreux instruments d’analyse de batteries et de supercondensateurs : la RMN, la spectrométrie de masse, l’XPS, les raysons X… Mais l’instrument le plus impressionnant vient tout juste d’être finalisé, il s’agit d’une ligne de lumière au synchrotron SOLEIL.
 
 
SOLEIL, ET LA LUMIERE FUT
Le soleil est une immense machine à produire des rayons de lumière, qui sont notamment utilisés par nos yeux pour percevoir le monde environnant. De la même manière, un synchrotron est une immense machine à produire des photons,  qui sont utilisés par des instruments optiques complexes pour sonder la matière et ses états. Clin d’œil, SOLEIL est le nom qui a été donné au synchrotron français qui peut, bien qu’étant d’une taille nettement plus modeste que le Soleil, produire des photons d’une brillance bien supérieure (de 100 000 à 1 milliard de fois) ce qui permet aux chercheurs d’observer finement la structure du monde inerte et vivant.
 
« SOLEIL » (Source Optimisée de Lumière d’Energie Intermédiaire du LURE), inauguré en 2006, a pour actionnaires le CEA et le CNRS. Il permet d’étudier la matière en projetant sur des échantillons des faisceaux de photons produits par des électrons accélérés quasiment jusqu’à la vitesse de la lumière dans un tube où règne l’« ultra-vide ». Ce dernier est entouré d’une série d’aimants, disposés tout au long d’un anneau de 113 mètres de diamètre. Sous l’effet de leur champ magnétique, la trajectoire des électrons est alors régulièrement courbée.  A chaque courbe, des photons sont émis dans une gamme d’énergie comprise entre l’infrarouge lointain et les rayons X durs. Ils sont alors canalisés dans 29 laboratoires ou « lignes de lumière », construits contre l’anneau, et longs de plusieurs dizaines à quelques centaines de mètres. Une ligne de lumière est constituée de trois « cabanes » successives : la cabane optique pour les instruments permettant de « travailler » le faisceau brut de photons, la cabane d’expérience où sont placés et étudiés les échantillons et enfin une cabane de vie où l’équipe en charge de la ligne pilote les équipements et enregistre les données obtenues. Les optiques utilisées sur la ligne conditionnent la gamme d’énergie dans laquelle un des phénomènes liés à l’interaction photons/matière (absorption, diffusion, diffraction) pourra être étudié. Une large palette de techniques d’analyse est ainsi disponible (diffraction des rayons X, spectroscopies d’absorption ou de photoémission, analyses magnétiques…), ce qui a permis à SOLEIL d’être à l’origine de nombreuses découvertes comme la résolution de la structure de l’enveloppe du virus chikungunya ou la production de rubans de graphène semi-conducteurs.
 
Parmi les lignes de lumière du synchrotron français, SAMBA est celle qui recevait le plus de demandes d’analyses dans le domaine de la recherche sur les batteries. En effet, elle utilise les photons très énergétiques (rayons X durs) qui peuvent pénétrer la matière et en donner une image précise, à partir de laquelle des informations intéressantes comme le degré d’oxydation, la structure électronique ou encore la structure locale autour de l’élément atomique sur lequel portent les mesures (atomes voisins, désordre) peuvent être obtenues.
 
 
ANATOMIE DE LA LIGNE ROCK
Début 2011, SOLEIL a obtenu en partenariat avec le RS2E et deux laboratoires spécialistes de catalyse hétérogène un financement Equipex de 3,3 millions d’€ pour la construction d’une nouvelle ligne de lumière dédiée à la spectroscopie d’absorption des rayons X résolue dans le temps dénommée ROCK. Le nom ROCK, proposé par Camille La Fontaine, est l’acronyme de Rocking Optics for Chemical Kinetics. En effet, le but de cette nouvelle ligne est notamment l’étude des cinétiques chimiques résolues en temps des matériaux pour  batteries et  supercondensateurs, où l’acquisition rapide permet d’obtenir une description détaillée des phénomènes chimiques. Pour ces études, il est nécessaire d’avoir un grand nombre de photons, qui sont utilisés comme sondes, et il faut donc adapter l’instrumentation et les équipements à employer.
 
Concernant la constitution de la ligne ROCK, un premier miroir dans l’anneau (M1, toroïdal) collimate le faisceau dans le plan vertical et le focalise dans le plan horizontal, un deuxième miroir dans la cabane optique (M2A) permet ensuite de le diriger sur le monochromateur. Le monochromateur est équipé de cristaux de silicium et permet, quant à lui, de sélectionner uniquement les photons de l’énergie désirée (choix qui dépend des éléments que l’on veut analyser). Le monochromateur Quick-XAS de ROCK a été conçu et réalisé à SOLEIL et permet d’acquérir un spectre en  250 ms voire 25 ms !
© RS2E
 
Enfin, un dernier miroir (M2B) focalise le faisceau dans le plan vertical sur l’échantillon placé dans la cabane expérimentale. Le choix des éléments optiques, c’est-à-dire des miroirs et du monochromateur, a été crucial pour permettre de conserver un flux de photons sur l’échantillon suffisant pour obtenir un bon rapport signal sur bruit*, tout en permettant d’avoir une taille de faisceau variable (typiquement de 4 mm à 370 µm en horizontal).
 
© RS2E
 
Dans la cabane d’expérience, l’échantillon est placé sur une table mobile qui peut être déplacée sur des rails dans le but de varier la taille horizontale du faisceau et donc ainsi d’augmenter ou de réduire la densité de photons sur l’échantillon. Ce dernier cas est particulièrement intéressant pour l’étude des échantillons sensibles aux radiations.
 
 
L’EQUIPE
L’équipe de ROCK est constituée de Valérie Briois (responsable de la ligne), Stéphanie Belin, Camille La Fontaine (scientifiques sur la ligne), Antonella Iadecola (ingénieure de recherche) et Laurent Barthe (assistant ingénieur). Chaque scientifique développe une activité de recherche propre dans différents domaines des sciences chimiques (en catalyse, en chimie douce ou en électrochimie). Ainsi Stéphanie Belin est investie depuis de longues années dans la recherche sur le stockage électrochimique de l’énergie (batteries et supercondensateurs), sujet pour lequel elle pourra développer de nouvelles techniques et apporter support et conseils aux équipes du RS2E lors de futures expériences. Antonella Iadecola a été recrutée par le CNRS pour le RS2E en mars 2015. Elle complète l’équipe de la ligne, elle y assiste les équipes du réseau à toutes les étapes de leurs projets et, plus généralement, assure le lien entre toutes les lignes de lumière de SOLEIL et le réseau.
ROCK a été optimisé spécialement pour les analyses operando des matériaux et dans le cas des matériaux de batteries,  l’acquisition rapide couplée aux cycles de charge/décharge de la batterie permet d’obtenir une description détaillée des phénomènes électrochimiques. Des cellules dédiées couplées à un multipotentiostat sont utilisables sur la ligne. Récemment un triple porte-échantillon a même été développé pour ces analyses : il donne à la fois plus de fiabilité (s’il y a un problème sur un des échantillons, l’autre peut être utilisé en secours sans avoir à recommencer l’expérience) et la possibilité d’enregistrer des spectres alternativement sur deux ou trois échantillons différents.
 
 
ROCK : UNE REUSSITE SCIENTIFIQUE
Au-delà de son but scientifique, la création de ROCK est aussi une réussite technique qui s’étend sur plusieurs années. Le défi de réaliser une nouvelle ligne en seulement deux ans a été accompli avec la pleine implication de l’équipe de la ligne et des groupes support (aligneurs, mécaniciens, spécialistes du vide…) et le soutien de la direction de SOLEIL, pour la grande satisfaction de tous. En particulier, le miroir toroïdal à installer dans l’anneau était la plus grande inconnue. Il faut savoir qu’à SOLEIL la construction de nouvelles installations nécessitant l’accès à l’anneau de stockage n’est possible que pendant les arrêts techniques qui ont lieu 6 fois par an (périodes pendant lesquelles les électrons ne circulent pas dans l’anneau). De plus, le montage d‘équipements dans le hall expérimental où se trouvent les lignes de lumière est uniquement autorisé le lundi (jour sans faisceau sur les lignes), en effet, la stabilité du faisceau est primordiale pour toutes les lignes de lumière, les moindres vibrations pouvant être ressenties sur de nombreux équipements. 
© RS2E
 
 
CHRONOLOGIE : CONSTRUCTION DE ROCK
 
21/02/2011 : signature de la convention ANR. Finalisation du schéma technique et soumission au Conseil Scientifique de SOLEIL
01/2013 : construction des cabanes optique et d’expérience. Installation des réseaux (fluides, électricité, internet…)
07/2013 : construction de la cabane de vie et de son atelier
10/2013 : installation du miroir M1 dans l’anneau lors de l’arrêt de 10 jours du synchrotron pour maintenance
2 et 3 décembre 2013 : contrôle radioprotection de la cabane optique, validée suite au test
01/2014 : réception des mécaniques des miroirs M2A et M2B
06/2014 : réception des miroirs M2A et M2B et installation pour le contrôle radioprotection du 30/06. En juillet, validation la cabane optique qui aura été équipée en 3 semaines de ses optiques et mécaniques !
09/07/2014 : enregistrement du premier spectre Quick-EXAFS dans la cabane optique
21/07/2014 : test radioprotection qui valide la cabane d’expérience
15/09/2014 : première demande de temps de faisceau pour le RS2E sur ROCK en 2015 
18/03/2015 : accueil du premier utilisateur de ROCK
24/04/2015 : signature de l’accord spécifique SOLEIL et CNRS (pour le compte du RS2E)
04/05/2015 : installation des filtres dans l’anneau pour limiter les charges thermiques sur les éléments optiques
23/07/2015 Inauguration officielle de la ligne ROCK avec la participation de la direction de SOLEIL et des représentants de l’ANR en charge du suivi du projet
 
 
ET MAINTENANT ?
 
La ligne est prête à accueillir les chercheurs du RS2E
Grâce à Antonella, les demandes de temps de faisceau pour les expériences des équipes du RS2E sont mises au point dans leurs moindres détails, et le taux de succès obtenu auprès des comités de programme qui décident de l’attribution des précieux « shifts » (un shift représente 8 heures de faisceau) est déjà remarquable, et les premières expériences sont fiévreusement analysées.
Une belle réussite pour le premier Equipex de SOLEIL et un nouveau chapitre pour le développement de meilleurs batteries et supercondensateurs.
 
 
Informations
Contact communication SOLEIL : Isabelle Quinkal
Contact ROCK : Antonella Iadecola
Site de la ligne : http://www.synchrotron-soleil.fr/Recherche/LignesLumiere/ROCK