Nitrures métalliques à haute performance pour supercondensateurs et batteries lithium Ion - High performance metal nitrides for supercapacitors and Li-ion batteries – Advanced NiBaCa

Le projet proposé concerne l'étude des propriétés électrochimiques de nitrures de métaux de transition et d'éléments des groupes IIIA, IVA et VA en tant que matériaux d'électrodes pour supercondensateurs et accumulateurs Lithium-Ion. Pour l'application supercondensateur, les critères requis importants concernent la densité de puissance et d'énergie ainsi que la durée de vie sur un très grand nombre de cycles. Dans certains cas, des composés à base de carbone et des oxydes métalliques peuvent fournir ces critères. Cependant il y a un réel besoin d'augmenter la densité d'énergie ce qui passe par l'accroissement notable de la capacité des électrodes et/ou l'élargissement de la fenêtre électrochimique utile du dispositif. Les efforts de recherche concernent donc le développement de matériaux aux propriétés améliorées comme certains carbones à porosité contrôlée ou des oxydes métalliques nanostructurés. Les capacités restent limitées à 200-300 F/g pour des électrodes à base de poudres Récemment quelques travaux ont souligné des gains importants permis dans le cas de certains nitrures de métaux de transition. Le premier axe de ce projet sera dédié à l'évaluation et à la sélection de différents nitrures performants d'abord étudiés sous forme de films minces puis pour les meilleurs sous forme de poudres comme électrodes de supercondensateurs. Il s'agira également de comprendre le mécanisme de stockage de charges à l'interface électrolyte-électrode et d'en étudier les conséquences sur la durée de vie du supercondensateur. Les progrès attendus pour l'amélioration des performances de l'électrode négative de l'accumulateur Li-ion vont provenir de deux axes de recherche. Un premier concerne l'optimisation d'électrodes à base de carbone par diverses voies, le second consiste à chercher de nouveaux matériaux. Cette dernière direction a abouti à envisager l'utilisation de nouveaux matériaux (oxydes de métaux de transition basse tension, nanocomposites silicium-carbone etc…) mais dans certains cas leurs performances restent encore limitées en terme de durée de vie. Dans cet état d'esprit le second volet fondamental et appliqué du projet a pour but d'explorer les potentialités offertes par les nitrures de métaux de transition et d'éléments des groupes IIIA, IVA et VA à travers l'étude de leurs propriétés électrochimiques comme négative de batterie Li-Ion. Les quelques données bibliographiques disponibles et l'expérience d'un des partenaires acquise sur la chimie et l'électrochimie de nitrures lamellaires de lithium et de métaux de transition indiquent que des capacités rechargeables importantes, supérieures d'un facteur 2 à celle du graphite, peuvent être atteintes pour des tensions de travail compatibles avec l'utilisation en batterie Li-ion. La grande variabilité des structures permise par le groupe des nitrures est un paramètre important qui sera exploité. Le choix de réaliser des dépôts de films minces de composés nitrures est bien approprié à l'obtention de données intrinsèques, donc particulièrement riches en information sur les matériaux en question. Les modes de synthèse utilisés, pulvérisation cathodique, réactions tout solide et chimie douce permettront l'accès à un large choix de composés préparés sous forme de films et de poudres de nitrures et oxynitrures métalliques de stoechiométries, morphologies et structures modulables. Après quelques décennies de recherche de matériaux d'électrode à base d'oxydes, nous proposons donc de considérer avec intérêt les nitrures mais aussi d'explorer les potentialités de certains oxynitrures pour les deux types d'application. Il s'agira d'acquérir un socle de données fondamentales sur ces composés en terme de chimie et électrochimie du solide avec sur le plan appliqué des exigences en termes de capacité, de cinétique de réaction, durée de vie, stabilité dans divers milieux mais aussi de sécurité. L'expertise de deux partenaires spécialistes de la chimie et de la synthèse des nitrures métalliques combinée à celle de deux autres fortement impliqués dans l'électrochimie des matériaux d'électrodes pour supercondensateurs et batteries Li-ion doit permettre des avancées significatives.