Une industrialisation à bas coût des supercondensateurs à ions lithium
Publié par Adrien le 07/06/2019 à 08:00
Source: CNRS
Combiner deux additifs au lieu d'un pour faciliter l'incorporation du lithium dans des supercondensateurs: voici la solution proposée par des chercheurs de l'Institut des matériaux Jean Rouxel (CNRS/Université de Nantes) en collaboration avec le Münster Electrochemical Energy Technology (Université de Münster, Allemagne) pour favoriser le développement à bas coût, simple et efficace des supercondensateurs à ions lithium (Le lithium est un élément chimique, de symbole Li et de numéro atomique 3.), utilisés pour stocker l'énergie électrique (Un apport d'énergie électrique à un système électrotechnique est nécessaire pour qu'il effectue un travail : déplacer une charge, fournir de la lumière, calculer. Ce travail est proportionnel à la quantité d'électricité.). Ces travaux, publiés dans Advanced Energy Materials le 5 juin 2019, permettent d'envisager leur commercialisation massive (Le mot massif peut être employé comme :).


Pré-lithiation séquentielle impliquant deux additifs (pyrène en jaune et Li3PO4 en rouge). L'analyse chimique utilisée dans la vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) de l'électrode par microscopie (La microscopie est l'observation d'un échantillon (placé dans une préparation microscopique plane de faible épaisseur) à travers le microscope. La microscopie...) électronique permet de localiser Li3PO4 (zones rouges). © Joel Gaubicher, Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le...) des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) Jean Rouxel (CNRS/Université de Nantes)

Les systèmes de stockage électrochimique de l'électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la matière, se manifestant par une énergie. L'électricité désigne également la branche...) jouent un rôle central dans l'intégration des sources d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) renouvelables et sont en passe d'envahir le domaine de la mobilité électrique. Deux solutions existent pour stocker cette énergie: les batteries à ions lithium, qui ont l'avantage d'avoir une grande capacité de stockage, et les supercondensateurs, qui avec une capacité moindre ont en contrepartie la particularité de pouvoir se charger et de se décharger très rapidement et un très grand nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de fois. Les supercondensateurs à ions lithium (lithium-ion capacitors ou LIC) combinent le meilleur des deux mondes.

Les matériaux constitutifs des supercondensateurs à ions lithium ne contiennent cependant pas d'ions lithium (ni d'électrons), à la différence des batteries. Il est donc nécessaire de passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques Brisson (1723-1806) en 1760.) par une étape dite de pré-lithiation afin d'en ajouter pour que le dispositif puisse fonctionner. Aujourd'hui, deux grandes stratégies sont envisagées: soit l'un des matériaux constitutifs du supercondensateur (Un supercondensateur est un condensateur de technique particulière permettant d'obtenir une densité de puissance et une densité d'énergie intermédiaire entre les batteries et les...) est pré-lithié avant son intégration, soit un additif riche en ions lithium est ajouté et les redistribuera aux matériaux du supercondensateur lors de la première charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un bénéfice non pécuniaire pour...). Ces méthodes sont cependant onéreuses et complexes et peuvent diminuer la capacité du dispositif. De plus, la majorité des additifs disponibles de pré-lithiation se dégradent à l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il est...) et/ou au contact des solvants utilisés pour fabriquer le supercondensateur à ions lithium. En somme, même si certaines solutions proposées fonctionnent aujourd'hui, il n'existe pas de "recette miracle" qui soit à la fois performante, robuste, simple et à bas coût.

Des chercheurs de l'Institut des matériaux Jean Rouxel (CNRS/Université de Nantes) en collaboration avec le Münster Electrochemical Energy Technology (Université de Münster), ont relevé le défi en utilisant non pas un mais deux additifs couplés par une réaction chimique séquentielle. En effet, leur analyse montre que le verrou principal des approches précédentes repose sur l'utilisation d'un seul et unique additif qui doit donc non seulement fournir les ions lithium et les électrons, mais également remplir simultanément toutes les conditions de prix, de stabilité chimique et de performance. L'utilisation de deux additifs ayant chacun un rôle propre, l'un apportant les ions lithium et l'autre les électrons, offre donc beaucoup plus de latitude (La latitude est une valeur angulaire, expression du positionnement nord-sud d'un point sur Terre (ou sur une autre planète), au nord ou au sud de...) puisqu'ils peuvent être sélectionnés indépendamment pour leur prix, leurs propriétés chimiques et leurs performances. Pendant la charge du supercondensateur à ions lithium, le premier additif (du pyrène, naturellement présent dans certains types de charbon) libère des électrons et des protons. Le second additif, Li3PO4 (produit en masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force de gravitation (la masse grave)....) dans l'industrie du verre (Le verre, dans le langage courant, désigne un matériau ou un alliage dur, fragile (cassant) et transparent au rayonnement visible. Le plus souvent, le verre est constitué d’oxyde de silicium...) par exemple), capte ces protons et libère, en échange, des ions lithium ensuite disponibles pour la pré-lithiation.

Un des autres avantages de cette approche réside dans le fait qu'après la pré-lithiation, le résidu de l'un des deux additifs utilisés, le pyrène, participe au stockage des charges et augmente ainsi la quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la...) d'énergie électrique stockée dans le dispositif. L'efficacité et la polyvalence offertes par cette nouvelle approche ouvrent donc la voie à une solution de pré-lithiation peu coûteuse conduisant à des supercondensateurs à ions lithium pouvant stocker plus d'énergie. La levée du verrou technologique devrait donc permettre une commercialisation plus rapide de ces dispositifs.

Bibliographie

Cascade-type pre-lithiation approach for Li-ion capacitors[/b]. Bihag Anothumakkool, Simon Wiemers-Meyer, D. Guyomard, Martin Winter, Thierry Brousse, and Joel Gaubicher, Advanced Energy Materials, 5 juin 2019.
DOI: 10.1002/aenm.201900078
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