Présentation
Cette thématique est dédiée aux phénomènes de transport, de perméation et de transfert de charges ainsi qu’à l’étude des interfaces électrochimiques pour la conversion et le stockage électrochimique. La démarche consiste à coupler la caractérisation électrochimique à d’autres techniques physico-chimiques et/ou la modélisation. L’activité haute température est axée sur l’étude des conducteurs mixtes utilisés comme électrodes à gaz dans les piles à combustible, les électrolyseurs et les membranes semi-perméables à l’oxygène. Les mécanismes de fonctionnement sont étudiés par spectroscopie d’impédance sous polarisation et voltammétrie cyclique. L’activité basse température est dédiée à l’analyse i) des mécanismes de transport ionique dans les électrolytes liquides et polymères en couplant essentiellement la spectroscopie d’impédance et la RMN à gradient de champs pulsé, ii) des mécanismes électrochimiques (mécanisme de conversion (Li/S), processus de transport dans les matériaux d’intercalation, croissance dendritique du lithium métal) et iii) des processus de dégradation des matériaux actifs de positive et négative et des collecteurs de courant.
Systèmes à oxyde solide à haute température
Cette activité est centrée sur le développement de caractérisations électrochimiques en demi-cellule et cellule complète afin d’étudier les mécanismes réactionnels et de comprendre les processus de dégradation dans les SOFC et SOEC. Les modélisations i) de la cinétique de la réaction d’électrode à oxygène et ii) de la co-électrolyse H2O et CO2 à HT (col. CEA/LITEN) ont permis de simuler les courbes de polarisation, les spectres d’impédance sous polarisation d’électrodes poreuses et les gaz émis. La voltammétrie cyclique a été utilisée pour la première fois pour évaluer l’effet de la cinétique d’échange en surface de l’oxygène sur le changement de stœchiométrie des matériaux. Un autre volet de cette activité concerne le développement d’anode catalytique pour les piles SOFC fonctionnant avec des combustibles carbonés comme le méthane (col. IRCELYON) ou l’éthanol (col. avec le Brésil). Des études ont également été réalisées sur les propriétés de transport de matériaux conducteurs mixtes (électrodes, membranes sélectives pour l’oxygène et réacteurs à membrane) et des cellules complètes à électrolyte solide pour la mesure de l’activité de l’oxygène dans des milieux extrêmes (sodium liquide, combustibles nucléaires).
Etude des Interfaces Li-métal/électrolyte et matériau d’intercalation/électrolyte
Les études portant sur l’analyse de la réactivité interfaciale du lithium métal ont été centrées sur l’impact de la chimie des électrolytes sur la nature chimique et électrique de la Solid Electrolyte Interphase (SEI) qui se forme sur le lithium. En particulier, l’objectif est de décorréler la contribution du transport ionique (conducteur unipolaire vs conducteur binaire), la nature et l’homogénéité de la SEI et la microstructure du lithium sur les processus de croissance dendritique du lithium. Nous avons ainsi mis au point des méthodologies pertinentes en couplant spectroscopie d’impédance et chronopotentiométrie/ chronoampéromètrie, mais également en nous appuyant sur des outils sensibles à la chimie de surface (XPS), ou la topologie (microtomographie X). Des études ont également été consacrée à l’étude de la cinétique interfaciale et des processus de transport dans des matériaux d’intercalation en exploitant des couches minces modèles par des mesures couplées de GITT et de spectroscopie d’impédance. Le développement et l’étude électrochimique de solvants fluorés ont également été menés.
Batterie magnésium
Cette activité a essentiellement adressé la conception d’électrolytes liquides performants, le contrôle de l’interface Mg métallique/électrolyte et la synthèse et caractérisations d’électrodes positives organiques. Nos études ont permis le développement d’électrolytes liquides présentant les propriétés requises utilisant soit i) des borohydrures de Mg originaux, utilisés comme sels d’électrolyte soit ii) des molécules riches en électrons π, utilisées comme additifs de l’électrolyte.