Combiner deux additifs au lieu dun pour faciliter lincorporation du lithium dans des supercondensateurs : voici la solution proposée par des chercheurs de lInstitut des matériaux Jean Rouxel (CNRS/Université de Nantes) en collaboration avec le Münster Electrochemical Energy Technology (Université de Münster, Allemagne) pour favoriser le développement à bas coût, simple et efficace des supercondensateurs à ions lithium, utilisés pour stocker lénergie électrique. Ces travaux, publiés dans Advanced Energy Materials le 5 juin 2019, permettent denvisager leur commercialisation massive.
Les systèmes de stockage électrochimique de lélectricité jouent un rôle central dans l'intégration des sources d'énergie renouvelables et sont en passe denvahir le domaine de la mobilité électrique. Deux solutions existent pour stocker cette énergie : les batteries à ions lithium, qui ont lavantage davoir une grande capacité de stockage, et les supercondensateurs, qui avec une capacité moindre ont en contrepartie la particularité de pouvoir se charger et de se décharger très rapidement et un très grand nombre de fois. Les supercondensateurs à ions lithium (lithium-ion capacitors ou LIC) combinent le meilleur des deux mondes.
Les matériaux constitutifs des supercondensateurs à ions lithium ne contiennent cependant pas dions lithium (ni délectrons), à la différence des batteries. Il est donc nécessaire de passer par une étape dite de pré-lithiation afin den ajouter pour que le dispositif puisse fonctionner. Aujourdhui, deux grandes stratégies sont envisagées : soit lun des matériaux constitutifs du supercondensateur est pré-lithié avant son intégration, soit un additif riche en ions lithium est ajouté et les redistribuera aux matériaux du supercondensateur lors de la première charge. Ces méthodes sont cependant onéreuses et complexes et peuvent diminuer la capacité du dispositif. De plus, la majorité des additifs disponibles de pré-lithiation se dégradent à lair et/ou au contact des solvants utilisés pour fabriquer le supercondensateur à ions lithium. En somme, même si certaines solutions proposées fonctionnent aujourdhui, il nexiste pas de « recette miracle » qui soit à la fois performante, robuste, simple et à bas coût.
Des chercheurs de lInstitut des matériaux Jean Rouxel [1] (CNRS/Université de Nantes) en collaboration avec le Münster Electrochemical Energy Technology (Université de Münster), ont relevé le défi en utilisant non pas un mais deux additifs couplés par une réaction chimique séquentielle. En effet, leur analyse montre que le verrou principal des approches précédentes repose sur lutilisation dun seul et unique additif qui doit donc non seulement fournir les ions lithium et les électrons, mais également remplir simultanément toutes les conditions de prix, de stabilité chimique et de performance. Lutilisation de deux additifs ayant chacun un rôle propre, lun apportant les ions lithium et lautre les électrons, offre donc beaucoup plus de latitude puisquils peuvent être sélectionnés indépendamment pour leur prix, leurs propriétés chimiques et leurs performances. Pendant la charge du supercondensateur à ions lithium, le premier additif (du pyrène, naturellement présent dans certains types de charbon) libère des électrons et des protons. Le second additif, Li3PO4 (produit en masse dans lindustrie du verre par exemple), capte ces protons et libère, en échange, des ions lithium ensuite disponibles pour la pré-lithiation.
Un des autres avantages de cette approche réside dans le fait quaprès la pré-lithiation, le résidu de lun des deux additifs utilisés, le pyrène, participe au stockage des charges et augmente ainsi la quantité dénergie électrique stockée dans le dispositif. L'efficacité et la polyvalence offertes par cette nouvelle approche ouvrent donc la voie à une solution de pré-lithiation peu coûteuse conduisant à des supercondensateurs à ions lithium pouvant stocker plus dénergie. La levée du verrou technologique devrait donc permettre une commercialisation plus rapide de ces dispositifs.
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[1] Grâce à un financement de plus de 600 000 euros par lAgence nationale de la recherche (ANR) : projet ICROSS, No. 13-PRGE-0011
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Advanced Energy Materials