ALS - Magazine 6 - Septembre 2017

ALS MAG Figure3 : Voiture toutélectrique utilisantdescomposites àfibresdecarbone. ALS Mag / 37 dement qu’une batterie et apporter une puissance extrêmement élevée en un court laps de temps. Combiner batterie et supercondensateur permet d’éviter les sollicitations trop violentes sur la batterie qui altèrent sa durée de vie, tout en gagnant en puissance. Les voitures d’Autolib associant batterie et supercondensateurs en sont un excellent exemple. Le stockage d’énergie dans ces deux systèmes se fait grâce à leur capacité à transférer et stocker les particules chargées appelées ions provenant d’un électrolyte. Dans une batterie, les réactions chimiques déplacent les ions de l’électrolyte vers l’intérieur de la composante constituant l’électrode. Pour les batteries lithium-ion commerciales, l’élec- trode négative est constituée de carbone et plus particulièrement de graphite permettant l’insertion/ désinsertion du lithium dans la structure feuilletée du carbone pendant les cycles de charge/décharge. L’électrode positive est constituée d’un oxyde métallique dont le degré d’oxydation est modifié par la réaction chimique pendant la charge/décharge. L’électrode négative a fait, ces dernières années, l’objet de nombreux travaux aussi bien pour comprendre le mécanisme d’insertion/déinsertion du lithium pendant le cycle de charge/décharge que pour développer de nouveaux matériaux à base de carbone plus performants électro-chimiquement que le graphite. A titre d’exemple, les matériaux pour électrode négative de batteries lithium-ion de type intermétalliques (formule générale MX n , avec M : Ni, Fe, Co.., et X : Sn, Sb, P), sont très étudiés en raison de leur capacité de stockage électrochi- mique théorique bien supérieure à celle du graphite utilisé commercialement. En 2014, un composite carbone/étain innovant a été mis au point par des équipes françaises membres du réseau RS2E 2 utilisant un procédé simple et respectueux de l’environnement. La solution innovante proposée repose sur le confinement de particules SnO 2 de taille nanométrique (env. 2nm) dans les pores interconnectés d’une matrice carbonée. Cette dernière a été synthétisée par un procédé simple utilisant des précurseurs carbonés respectueux de l’environnent. Ce matériau présente des performances remarquables : une capacité élevée à stocker de l’énergie, un rendement faradique proche de 100% et une très bonne tenue lors des cycles de charge/décharge. Il a été ainsi montré, pour la première fois, que ce confinement est le paramètre responsable de ces excellentes performances. 3 Depuis peu, nous vivons une nouvelle révolution technologique avec le développement des batteries Na-ion. Le sodium remplace ainsi le lithium qui reste un élément coûteux, d’abondance limitée et dont l’extraction présente un lourd impact environne- mental. Le sodium est quant à lui plus abondant et son exploitation moins coûteuse. Des chercheurs ont donc conjugué leurs efforts pour revisiter les batteries au sodium à l’aune du savoir-faire acquis dans la chimie du lithium. 4 Pour les supercondensteurs, l’énergie est stockée directement sous la forme d’un champ électrosta- tique. Ce champ va permettre aux ions de se déplacer vers la surface des électrodes et de s’adsorber et se désorber sans aucune réaction chimique. L’électrode doit ainsi avoir une très grande surface spécifique pour adsorber une grande quantité d’ions et conduire à une bonne capacité de stockage. Les matériaux carbonés de type carbones activés très poreux sont les meilleurs candidats et sont aujourd’hui utilisés dans les systèmes commerciaux. Tout comme pour les batteries, de nombreux matériaux ont été testés en utilisant le carbone seul (graphène, carbone à porosité contrôlée, nanotubes de carbone) ou associé à d’autres éléments (MnO 2 , VnO 2 ..). Ces deux dernières années, des sociétés telles que Maxwell Technologies, Sketon Technologies, CSR Zhuzhou Electric Locomotive ont développé des supercondensateurs atteignant des densités d’énergie jamais égalées. Cette dernière compa- gnie a commercialisé des supercondensateurs à capacité élevée à base de graphite et carbone activé pour alimenter des trolleybus électriques en Chine. Un tel trolleybus devrait être capable de parcourir 10 km après une recharge d’une minute. 5 La Chine pourrait ainsi économiser 584 GWh d’électricité pour éviter l’émission de 6,7 millions de tonnes de dioxyde de carbone si tous les autobus nouvellement ajoutés (environ 60,000/an) utilisaient ces nouveaux supercondensateurs. Début 2016, des chercheurs français ont mis au point un micro-supercondensateur sur puce électronique performant et industrialisable. L’utilisation massive des supercondensateurs dans l’électronique portable est donc peut-être pour bientôt. 6 Les équipes françaises, très reconnues à l’interna- tional dans ce domaine, ont souvent été à l’origine de travaux pionniers pour le développement de ces deux systèmes de stockage. Des progrès consi- dérables ont été réalisés par ces équipes sur la compréhension des mécanismes de stockage électrochimique dans les batteries et superconden- sateurs. En particulier, les effets des caractéris- tiques du carbone (structure à l’échelle atomique, chimie de surface, porosité) sur les performances finales du système ont été mises en évidence expérimentalement. Pour les batteries, les méca- nismes d’insertion/déinsertion du lithium ont été corrélés aux caractéristiques du graphite de l’électrode, apportant ainsi à l’industriel des connaissances indispensables pour sélec- tionner le matériau le plus performant. Pour les super-condensateurs, des techniques de caractéri- sation très pointues ont été récemment mises au point pour suivre l’adsorption/désorption des ions dans la porosité des carbones et comprendre les facteurs limitatifs devant être surpassés pour l’obtention de supercondensateurs à plus forte densité d’énergie. Il a notamment été montré qu’il fallait des carbones ayant une porosité inférieure à 1 nm pour être performants. 7 Tous ces exemples soulignent à quel point les matériaux carbonés ou à base de carbone sont stratégiques pour le développement de dispositifs de stockage électrochimique de l’énergie.