En association avec le déploiement des sources d'énergies intermittentes (photovoltaïque, éolien...), il est indispensable de poursuivre les efforts de recherche pour améliorer les performances des batteries. Des équipes du CEA Paris-Saclay et du CEA Grenoble ont réussi à développer de nouveaux matériaux d’électrode positive pour les batteries Li-soufre et Li-organique ne présentant pas de phénomène de dissolution de la matière active. Ces matériaux d’électrode positive sont basés sur la fonctionnalisation de manière covalente de nanotubes de carbone multiparois (MWNT) avec des molécules contenant des groupements électroactifs soufrés. Les nanotubes de carbone présentent une bonne conductivité électrique et sont insolubles dans l’électrolyte. Ils servent donc de bon support pour le greffage de la matière active.

Les systèmes obtenus offrent une excellente stabilité en cyclage et une capacité spécifique prometteuse. Ce travail est publié dans la revue ChemElectroChem.

Le platine est un élément de référence en matière d'efficacité catalytique, en particulier pour la filière hydrogène énergie : électrolyse de l'eau et réactions à la membrane de piles à combustible. Son abondance limitée, et donc son coût élevé, interdisent cependant son usage généralisé dans des dispositifs à bas coût, et des voies alternatives doivent être développées.

Au LICSEN (CEA-Saclay/DSM/IRAMIS), des structures hybrides supramoléculaires à base de nanotubes de carbone et de porphyrines de cobalt ont été testées comme catalyseur électrochimique pour la réduction de l’oxygène. La méthode de fonctionnalisation des nanotubes de carbone combine les avantages des approches covalente et non-covalente, sans leurs limitations respectives. Les hybrides élaborés réduisent l’oxygène directement en eau via un processus à 4 électrons en milieu acide, avec une très faible formation de peroxyde d’hydrogène (produit intermédiaire, résultant d'un processus à deux électrons), ce qui les rend utilisables pour les piles à combustible de type "Proton Exchange Membrane Fuel Cells" - PEMFCs.

Les structures carbonées nanométriques (nanotubes, fullerènes, plan de graphène,…) possèdent des propriétés de conduction électronique remarquables, dont on essaye de tirer parti pour réaliser de nouveaux dispositifs (capteurs, composant électronique, …), mais à condition de maitriser les différents procédés de leur mise en œuvre. Une équipe de l'IRAMIS/NIMBE vient d'apporter la démonstration d'un procédé générique de fonctionnalisation locale par microscopie électrochimique, à partir de films minces de graphène oxydé.

Le graphène oxydé peut être aisément déposé sur une très grande variété de substrats, et l’étape clé de notre méthode consiste à réduire localement cette couche carbonée à l’aide d’une microélectrode plongée dans une solution électrolytique. Les zones réduites, de taille micrométriques, deviennent alors conductrices, permettant d'y fixer une très grande variété de fonctions chimiques par simple électrogreffage de sels de diazonium.

Ce procédé, à base de graphène initialement oxydé, permet d'implanter localement et de façon contrôlée une grande diversité de fonctions chimiques à la surface de divers substrats, en particulier des isolants.

L’utilisation usuelle de l’hydrogène est une voie possible d’évolution de notre paysage énergétique, mais qui demande un large déploiement de piles à combustible. Pour ceci, il est nécessaire de développer et mettre en œuvre de nouveaux catalyseurs sans métaux nobles. En effet, dans les piles actuelles, le catalyseur de référence le plus efficace est le platine, dont l’abondance, le prix croissant, et notre dépendance vis-à-vis des pays étrangers interdisent la fabrication massive des dispositifs basés sur cette technologie. 

Après avoir montré l’efficacité de catalyseurs sans platine pour l’oxydation de l’’hydrogène à l’anode, des catalyseurs sans métaux efficaces pour la réduction de l’oxygène à la cathode ont été obtenus à l’IRAMIS/SPCSI.