Matériaux pour accumulateurs électrochimiques : bilans, objectifs et nouvelles voies - Dominique Larcher - 1er juin 2015 (Site Buffon)

Dominique Larcher - Laboratoire de Réactivité et Chimie des Solides, Université de Picardie Jules Verne, Réseau sur le Stockage Electrochimique de l’Energie (RS2E, ALISTORE-European Research Institute

Lundi 1er juin 2015 à 11 h

IMPMC - Site Buffon - 61 rue Buffon, Paris 5^e

Salle des élèves - 2^e étage

Résumé

Les deux principaux secteurs de consommation d’énergies fossiles carbonées sont le Résidentiel-Tertiaire et les Transports. Envisager de les remplacer par des sources renouvelables nécessite i) de disposer de systèmes de distribution correctement gérés (smart-grids), ii) de savoir collecter et concentrer ces sources renouvelables, iii) d’être capable de  stocker efficacement cette énergie. Les systèmes de conversion électrochimique de l’énergie font partie des systèmes utilisables pour ce dernier point.
Ces technologies de conversion (piles, accumulateurs, batteries, condensateurs…) sur le marché ou actuellement explorées doivent être variées pour pouvoir s’adapter à l’application visée et à la taille souhaitée. Ainsi, on conçoit très différemment une station de stockage d’énergie stationnaire pour un bâtiment, un pack d’accumulateurs pour un véhicule électrique, un accumulateur pour un téléphone portable, pour une sonde spatiale ou pour un implant médical ; car les critères sont multiples et fortement interconnectés (sécurité, conditions d’utilisation, prix des composants, recyclabilité, taille, volume, temps de vie, intensité/voltage requis ...). Les accumulateurs Li-ion dits « organiques » dominent actuellement les applications (trans)portables mais d’autres voies très prometteuses sont actuellement explorées (Na-ion, redox-flow, Li-air, Na-air, Li-S …) et on observe également un engouement certain pour les technologies dites « aqueuses » pour les applications stationnaires.

Le point commun à tous ces systèmes est l’échange d’électrons entre deux électrodes (anode et cathode) par l’intermédiaire d’un électrolyte qui doit être conducteur ionique et isolant électrique. Cet électrolyte est généralement une solution liquide (« organique » ou « aqueuse »), mais les technologies à électrolyte « solide » existent également.  
Les électrodes contiennent les matériaux actifs de ces systèmes. Le choix de ces matériaux dicte de nombreuses caractéristiques technologiques de l’accumulateur mais également sa conception et ses performances énergétiques. Il s’agit surtout de matériaux inorganiques dont la structure/texture doit permettre l’accueil réversible d’ions et d’électrons. Les choix sont multiples : carbones, oxydes (LiCoO2, MnO2, Li4Ti5O12, LiMn2O4), phosphates (FePO4, LiFePO4), nitrures, phosphures, métaux (Al, In, Si, Sn), sulfure/soufre, fluorures ... Au choix de la composition chimique s’ajoute celui de la taille des grains, des collecteurs de courant, de la méthode d’incorporation dans l’électrode, de sa porosité...

Dans cet exposé seront décrites les bases communes aux différentes technologies d’accumulateurs électrochimiques, leurs spécificités, leurs limites, et les voies explorées vers des systèmes plus fiables, plus petits, plus efficaces et plus modulables. Les besoins en termes de matériaux et d’architecture d’électrodes seront également décrits.