Quoi de commun entre une pile à combustible, un électrolyseur et une batterie de type tout-solide ? Une membrane polymère semi-perméable qui transporte les ions d'une électrode à l'autre ! Il est essentiel de mieux comprendre cet élément clé pour améliorer les performances des futurs dispositifs électrochimiques de conversion et stockage de l'énergie.
Comme les neutrons traversent les parois des conteneurs métalliques et céramiques sans les détériorer, il est possible d'étudier ces membranes polymères, dans les conditions réelles de fonctionnement des cellules électrochimiques, grâce à des techniques neutroniques (réflectivité, diffusion inélastique et diffusion aux petits et grands angles).
Dans les piles à combustible, la sensibilité des neutrons permet en particulier de repérer les déplacements des protons au sein de la membrane. Par ailleurs, le recours au « contraste » isotopique permet de séparer et d'identifier les processus complexes qui se produisent au cœur de la membrane.
Les techniques de diffusion de neutrons donnent accès à la structure de la membrane et la dynamique des ions en fonction de l'hydratation et des conditions opérationnelles réelles de la cellule électrochimique. Ainsi par exemple, si la teneur en eau dans la membrane d'une pile à combustible est trop faible, le transport des ions est freiné et la pile marche moins bien. À l'opposé, un excès d'eau fait gonfler la membrane et noie les électrodes, dégradant les performances de la pile.
Voir la vidéo Neutrons an inevitable tool for your research on fuel cell.
Références :
Progress in neutron techniques: towards improved polymer electrolyte membranes for energy devices
Fabrizia Foglia, Sandrine Lyonnard, Victoria García Sakai, Quentin Berrod, Jean-Marc Zanotti, Gérard Gebel, Adam J Clancy, and Paul F McMillan, J. Phys.: Condens. Matter 33(28) (2021) 264005.
- Fait marquant CEA-IRIG : « Des neutrons pour un voyage fantastique au cœur des piles«
- Fait marquant ILL : « Advanced neutron technologies galvanise research into advanced polymer electrolyte membranes (PEM)«
- Voir la vidéo ILL – Etude de membranes polymères par diffusion de neutrons aux petits angles. Ligne SANS D22 :
Contact CEA-Iramis : Jean-Marc Zanotti (LLB @ ILL), responsable de la ligne de diffusion de neutrons petits angles SHARP, implantée àl'ILL. Vers des sources de neutrons compactes en laboratoire
Une collaboration étroite entre le Laboratoire Léon-Brillouin (CEA-Iramis) et le CEA-Irfu a entrepris de développer une source compacte de neutrons (expérience IPHI-neutrons et projet SONATE) qui permettra de réaliser des expériences de diffusion de neutrons au laboratoire, et de renforcer la communauté d’experts du domaine. Des résultats préliminaires de qualité qui démontrent la faisabilité d’un projet d’expérience sont en effet indispensables pour accéder à des sources de haute brillance, dont la disponibilité est affectée par la réduction progressive du nombre de réacteurs expérimentaux en Europe.