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.