Fonctionnalisation de couches minces à base de cérine pour les dispositifs électrochimiques haute température – COMICEL

Les piles à combustible sont des dispositifs électrochimiques permettant de convertir l'énergie chimique de la réaction de formation de l'eau en énergie électrique. Pour obtenir des rendements énergétiques élevés, et bénéficier d'un système de cogénération électricité- chaleur efficace, des températures supérieures à 600°C sont requises : dans ces conditions, ce sont les piles à combustible à carbonates fondus (MCFC) et les piles à oxyde électrolyte solide (SOFC) qui remplissent au mieux ces critères et qui constituent des applications directes de ce projet. Ces températures élevées constituent néanmoins un frein au développement industriel de ces générateurs électrochimiques, dont les durées de vie sont jugées encore insuffisantes à ce jour. Ainsi, pour pallier ce problème, un abaissement de la température semble indispensable pour les SOFC, ce qui engendre dans un premier temps des baisses de performances liées à une augmentation de la résistance de l'électrolyte et des surtensions aux électrodes. Un moyen d'y remédier est d'intégrer des matériaux en couches minces, assurant différentes fonctions : en réduisant l'épaisseur d'un conducteur ionique (électrolyte), la résistance de ce composant est proportionnellement réduite. L'introduction de couches à l'interface électrode/électrolyte a montré que les mécanismes aux électrodes étaient activés, et d'autres couches agissent comme barrière de diffusion cationique et électronique au niveau de l'électrolyte lui-même. Concernant les piles à carbonates fondus, les couches minces d'oxyde sont de plus en plus à l'étude, principalement comme revêtements protecteurs. La durée de vie des MCFC est essentiellement liée à la dissolution de la cathode à base de nickel oxydé, et la dégradation des plaques bipolaires, dues à l'effet corrosif des carbonates. Il est crucial de pouvoir modifier ce composant. Les matériaux à base de cérine ont déjà fait l'objet de nombreux travaux dans le cas des SOFC, et sont jugés très prometteurs pour une intégration dans les MCFC. Ils ont été retenus pour le développement de ce projet, de par leur multifonctionnalité liée aux propriétés intrinsèques variables avec leurs compositions, leurs microstructures et leur environnement : conduction électronique, ionique, mixte et propriétés catalytiques, stabilité thermodynamique dans les carbonates fondus. Ils peuvent alors remplir des fonctions différentes dans les générateurs haute température. Ce projet concerne donc l'intégration des composés à base de cérine, dopée ou non, en couches minces, dans les générateurs haute température. L'élaboration de ces couches minces sera réalisée par voie électrochimique. L'électrodépôt est un procédé peu onéreux, qui permet de fabriquer des couches minces et homogènes. Le contrôle de ses nombreux paramètres permet d'ajuster la composition, l'adhérence, la morphologie et l'épaisseur des dépôts ainsi fabriqués. Ceci est en parfaite adéquation au développement de matériaux multifonctionnels, tel que présenté pour les composés à base de cérine. Un effort important sera apporté sur les caractérisations structurales par microscopie électronique à transmission analytique, tant au niveau des analyses de surface, interface et structure de la couche elle-même, en relation avec les propriétés électriques et électrochimiques caractérisées dans le milieu de fonctionnement des couches (carbonates fondus et haute température). Ce projet vise à fédérer des compétences en électrochimie au sein de l'unité (LECA- UMR 7575 CNRS ENSCP Paris6), de l'électrochimie en solution à l'électrochimie des solides, via l'électrochimie en milieux fondus, à la fois pour sa puissance dès la première étape de fabrication de la couche mince, l'utilisation de ses techniques pour les caractérisations in situ des matériaux et leurs spécificités dans les milieux extrêmes, enfin pour des applications dans des dispositifs électrochimiques fonctionnant à haute température. L'électrochimie ainsi déclinée, appliquée aux cou