Matériaux nanostructurés pour l’énergie / Nanostructured materials for energy
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L’IRAMIS développe des matériaux nanostructurés pour les dispositifs photovoltaïques (PV) organique ou hybride :

  • nanoparticules de silicium dopées ou non incluses dans différentes matrices,
  • molécules spécifiques aux couches d’interface de cellules PV organiques,
  • nanotubes de carbone fonctionnalisés par des chromophores,
  • nanoparticules d’oxydes TiO2 dopées ou non en azote pour les cellules solaires à colorant
  • cellules PV à base de Perovskite.

Il développe également des nanomatériaux pour :

  • les électrodes de batteries Li-ion (comme des nanoparticules de silicium recouvertes d’une coquille de carbone)
  • les générations de batteries post Li-ion (Mg-ion, Li-air…)
  • des tapis de nanotubes de carbone alignés pour des électrodes de supercondensateurs...

Une méthode spécifique de nanostructuration des polymères reposant sur l’utilisation de rayonnements ionisants (UV ou ions lourds) permet d’obtenir des membranes polymères de piles à combustible basse température radiogreffées pouvant servir d’alternative au nafion, qui est le polymère de référence.

Une autre activité de l’IRAMIS porte sur la mise au point de catalyseurs pour la réduction de l’oxygène ou l’oxydation de l’hydrogène, indispensables dans les piles à combustible. Le platine est l’élément de référence en matière d’efficacité catalytique, mais il est rare et coûteux. L’objectif est de diminuer la quantité de platine dans les catalyseurs, et même de le remplacer par des catalyseurs alternatifs sans métaux nobles, par exemple à base de nanotubes de carbone fonctionnalisés.


 

 

IRAMIS develops nanostructured materials for organic or hybrid photovoltaic (PV) devices:

  • doped or not silicon nanoparticles included in various matrices,
  • specific molecules to the interface layer of organic PV cells,
  • functionalized carbon nanotubes by chromophores,
  • doped with nitrogen (or not) TiO2 oxide for dye PV cells
  • perovskite PV cells

It also develops nanomaterials for

  • electrodes of Li-ion batteries, such as silicon nanoparticles coated with a carbon shell,
  • next generation of batteries (post Li-ion, like Mg-ion, Li-air…)
  • carpets of aligned carbon nanotube  for supercapacitors electrodes...

A specific method for nanostructuring polymers, based on irradiation (by UV or heavy ions), allows to obtain radio-grafted polymers membranes for low temperature fuel cells, as an alternative to nafion, the reference polymer.

An important part of the activity of IRAMIS covers the development of catalysts for the reduction of oxygen or oxidation of hydrogen that are required in fuel cells. Platinum is the reference element in catalytic efficiency, but it is rare and expensive. The objective is to reduce the amount of platinum in the catalyst, and even replace it with alternative catalysts without noble metals, for example based on functionalized carbon nanotubes.

 
#1952 - Màj : 30/07/2019
Faits marquants scientifiques

Une large collaboration de chercheurs a mis au point une nouvelle méthode permettant d’améliorer la capacité de stockage et de réduire le coût de production des batteries lithium-ion. La technologie proposée est basée sur l’irradiation des matériaux, de façon similaire à ce qui se fait par exemple dans les industries de traitement des aliments, des médicaments et des eaux usées.

La demande de dispositifs de stockage d'électricité performants pour l’électronique nomade ou l’automobile est en croissance rapide et nécessite une amélioration des performances des batteries (capacité, durée de vie, sécurité). La technologie Li-ion, actuellement la plus répandue, a des performances limitées dues à l’utilisation d'électrodes de graphite, et une forte activité de recherche est consacrée au développement de matériaux alternatifs.

Parmi ceux-ci, les oxydes métalliques tels que SnO2 semblent prometteurs car ils offrent une capacité de charge élevée. Leur comportement lors des cycles de charge/décharge peut être amélioré par la nanostructuration de l’électrode et en modifiant leurs propriétés électroniques par dopage. Des électrodes ont été élaborées à partir de nanoparticules d’oxyde d’étain dopées à l’azote, synthétisées par pyrolyse laser. Les accumulateurs réalisés avec ces électrodes montrent des performances très prometteuses (vitesse de charge, nombre de cycles charge-décharge...), bien supérieures à celles des dispositifs de laboratoire reportés dans la littérature.

Ces travaux, financés par le programme transverse Matériaux Avancés du CEA, ont été réalisés en collaboration avec l’Université Technologique de Nanyang (NTU) à Singapour dans le cadre de la thèse en co-tutelle de Paul Wang. Les résultats obtenus sont publiés dans la revue Advanced Materials [1] .

Le soleil apparait à ce jour comme la source d’énergie à la fois inépuisable et gratuite qu'il faut cependant réussir à capter efficacement. Les différentes générations de cellules photovoltaïques ont permis une amélioration progressive des coûts et/ou des rendements [1]. Parmi les dispositifs efficaces émergents, on peut retenir les cellules sensibilisées à colorant qui reposent généralement sur une couche poreuse de dioxyde de titane (TiO2) qui améliore le contact électrique et évite la recombinaison des charges. Une voie étudiée pour l’optimisation de cette couche est l’utilisation de nanoparticules dopées à l’azote.

Le procédé pour élaborer le dispositif à partir des nanoparticules requiert de nombreuses étapes de mise en forme, traitements chimiques de passivation, recuits,… On peut ainsi se demander si les propriétés observées au niveau de la cellule reflètent ou pas les propriétés du matériau initial. Dans le cadre d’une collaboration européenne (CEA – NIMBE à Saclay, XLIM - Limoges, LCP - Orsay, Institut des nanosciences de Jyväskylä (Pologne), et Institut Laser à Bucarest), des nanoparticules ont été synthétisées et leurs propriétés ont été caractérisées à diverses étapes du procédé de fabrication : particules, électrodes (couches minces après traitement thermique) jusqu'à la cellule finale (passivation, infiltration de colorant) [2]. Des techniques de caractérisation complémentaires prouvent que l’efficacité de la cellule est le reflet direct du produit initial, mais que si l’azote se positionne en surface du TiO2 dopé, il est nuisible à l’efficacité du dispositif.

L'utilisation de silicium à l'anode des accumulateurs Li-ion permet de fortement augmenter leur capacité. Cependant ce matériau se révèle fragile et les accumulateurs résistent mal aux cycles charge-décharge répétés. D'où l'idée d'utiliser du silicium sous forme de particules nanométriques, encapsulées dans une coquille de carbone. Le cœur de silicium offre une importante capacité spécifique (~ 10 fois celle du carbone actuellement utilisé), tandis que la coquille de carbone renforce la résistance mécanique des particules.

S'appuyant sur son savoir-faire dans la réalisation de nanoparticules par pyrolyse laser, le groupe Édifice Nanométrique (EDNA) du Laboratoire Francis Perrin (LFP) a développé un nouveau montage de pyrolyse laser à "double-étage" indépendants pour la réalisation des nanoparticules de type cœur-coquille Si@C.

Les premiers résultats obtenus, avec ces nanoparticules comme matériau actif dans une anode de pile, montrent une stabilité des cycles de charge/décharge sur plus de 500 cycles, pour une capacité de charge limitée à 1000 mAh/g. Ces résultats très encourageants, ont été obtenus dans le cadre d'une collaboration DSM/IRAMIS et le DRT/LITEN, et ont fait l’objet de deux dépôts de brevet.

 

 

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