Présentation
Cette thématique consiste en l’élaboration de matériaux céramiques, oxydes ou à charpentes anioniques phosphatées sous forme de poudres et de films pour leurs propriétés de transport ou magnétiques. L’optimisation de la microstructure et de l’architecture de céramiques via l’atomisation électrostatique (ESD) et le frittage flash (col. Plateforme M2E) est l’un des points forts de cette thématique. La technique d’ESD permet ainsi de moduler les microstructures des matériaux afin d’adapter leur morphologie à une fonctionnalité et une application donnée. Le frittage flash permet une densification sous courant conférant des microstructures aux propriétés très intéressantes.
Les applications visées sont essentiellement les piles à combustible et électrolyseurs HT, les batteries tout solide ainsi que les cellules solaires pérovskites et récemment les applications médicales.
Relations microstructure/architecture/composition/propriétés électriques
Cette activité s’appuie sur des approches expérimentales et de modélisation pour optimiser la microstructure, l’architecture et la composition d’électrodes à oxygène utilisées dans les cellules à oxyde solide fonctionnant à température intermédiaire soit dans des piles à combustible à oxyde électrolyte solide (SOFC), soit dans des électrolyseurs à haute température (SOEC). La méthodologie originale développée couple une méthode de mise en forme innovante et à bas coût, l’atomisation électrostatique ou electrostatic spray deposition, (ESD), des caractérisations électrochimiques et la modélisation de la microstructure par éléments finis 3D (col. SIMAP, CEA Grenoble). Ce travail passe par une étape clé : l’élaboration originale par le procédé ESD de films d’oxydes à conduction mixte (électronique et ionique) à microstructure contrôlée, soit denses ou colonnaires, ~ 10 nm à 10 µm d'épaisseur, soit de type corail ou réticulaire, ~ 100 nm à 50 µm d'épaisseur. L’amélioration des propriétés électrochimiques a été reliée aux propriétés intrinsèques des matériaux et au développement de microstructures et d’architectures innovantes intégrant le contrôle des interfaces. D’un point de vue fondamentale, l’influence de la tortuosité au sein d’une céramique sur sa conductivité ionique a été démontrée. L’élaboration par frittage flash de conducteurs cationique a été réalisée pour la première fois.
Matériaux comme électrode inorganiques pour batteries Na-ion
Cette activité porte sur l’élaboration et les caractérisations des propriétés structurales, morphologiques, magnétiques, électriques et électrochimiques de nouveaux matériaux d’électrode positive pour batteries Na-ion. Deux familles ont été évaluées les oxydes lamellaires NaNi1/3Mn1/3Co(1/3-x)FexO2 et des matériaux phosphatés à charpentes anioniques tridimensionnelles Na2M2M’(PO4)3. Les premières études électrochimiques des composés au sodium de type Alluaudites Na2M2M’(PO4)3, sans aucune optimisation microstructurale ou de formulation des électrodes, ont montré le potentiel de ces phases.