Présentation

Les supercondensateurs sont des systèmes de stockage de l’énergie complémentaires aux batteries. Ils peuvent en effet fournir de grandes densités de puissance pendant quelques secondes, tandis que les batteries ont une puissance limitée mais une densité d’énergie beaucoup plus importante. La grande majorité des supercondensateurs utilisent comme matériaux actifs des carbones poreux de grandes surfaces (plus de 1,500 m² /g). Ils stockent ainsi les charges à l’interface carbone / électrolyte par adsorption des ions de l’électrolyte à la surface du carbone, chargeant ainsi la capacité de double-couche électrochimique. Il n’y a donc pas de réaction rédox mises en jeu, à la différence des batteries.
Le principal enjeu aujourd’hui pour les supercondensateurs est d’augmenter leur densité d’énergie, ce qui permettrait de couvrir un très large champ d’applications. La densité d’énergie des supercondensateurs est donnée par (equation 1)
E=1/2.C.V² (eq. 1)
où E est l’énergie (J), C la capacité (F) et V la tension (V). D’après l’équation 1, augmenter la densité d’énergie revient à augmenter la capacité C ou la tension de cellule V. Les travaux que nous développons vont dans ce sens et s’articulent autour de plusieurs axes :

i) Augmenter la capacité des carbones poreux
Dans la continuité de nos travaux qui ont montré l’augmentation de capacité de stockage des ions dans les nanopores de carbone, nous développons des approches fondamentales sur la compréhension des mécanismes de transport et d’adsorption des ions dans les pores confinés de structures poreuses de carbone. Nous combinons des approches expérimentales in-situ et théoriques (modélisation) pour comprendre le mécanisme de stockage dans lequel les ions doivent se désolvater partiellement pour accéder aux pores sub-nanométriques. Des matériaux modèles comme les carbures Dérivés de carbone à porosité contrôlée sont particulièrement bien adaptés à ces études.

ii) Augmenter la capacité : les matériaux pseudo-capacitifs
_Une autre façon d’augmenter la capacité est d’utiliser des matériaux pseudo-capacitifs, qui stockent les charges par réactions redox rapides limitées à la surface du matériau. L’objectif est ici de mettre au point des matériaux possédant des fortes (pseudo)-capacités dans des électrolytes aqueux ou organique . Nous travaillons principalement les oxydes nanostructures (MnO2, Nb2O5) ou encore les phases de type MXenes .

iii) Développer des électrolytes haut potentiel (liquides ioniques, ionogels) pour supercondensateurs et micro-supercondensateurs
_L’approche proposée consiste à adapter les structures des carbones aux propriétés des électrolytes utilisés. Nous travaillons sur les mélanges eutectiques de liquides ioniques qui permettent d’atteindre des tensions de 3,5 V et plus dans une large gamme de température (-40°C à +100°C). Nous développons également des électrolytes tout solides à base de ionogels (liquides ioniques confinés dans une matrice inorganique comme SiO2 par exemple).

Nous travaillons également sur les micro-supercondensateurs , qui sont des système en plein essor avec le développement de la Radio frequency identification (TAG-RFID) pour le développement des environnements connectés comme l’internet des objets ou les réseaux de capteurs. L’objectif est de développer des micro-systèmes directement intégrables sur wafer de Si, qui sont obtenus par chloration partielle de film de TiC déposés par des techniques de pulvérisation. Une autre activité comprend la gravure laser de précurseurs d’oxydes métalliques pour développer des électrodes (et des systèmes) souples.

Une dernière partie de nos activités porte sur la nanostructuration des interfaces dans des électrodes de batteries Li-ion pour des applications en micro-batteries .

Ces travaux sont développés dans le cadre Réseau sur le Stockage Electrochimique de l’Energie (RS2E), créé conjointement par le CNRS et le Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la recherche (MESR) en 2011. Le RS2E a pour mission de favoriser l’innovation et l’émergence de filières nationales sur le stockage électrochimique de l’énergie ; il est basé sur une interaction forte entre les principaux acteurs de la recherche académique (CNRS et Universités), les organismes de recherche scientifique et technologique finalisée et les industriels.