Synthèse des structures hybrides nanotubes de carbone/graphène et leurs applications dans les batteries lithium-ion et dans les composites multifonctionnels – Synapp

Ce projet a pour objectif d’élaborer et d'analyser profondément les propriétés physiques (mécaniques, thermiques, électriques) de nanofeuillets de graphène combinés à des nanotubes de carbone en vue d’une intégration optimisée dans une matrice hôte (polymère principalement) pour le développement d’applications innovantes dans le domaine de l’énergie (batteries, supercapacitors...).
Le graphène est une couche monoatomique de carbone qui représente l'unité de base de tous les matériaux graphitiques. Ces propriétés sont : un haut module d'Young (~1100 GPa), une contrainte à rupture (125 GPa), une conductivité thermique (~5000 W m-1K-1), une mobilité des porteurs de charges (200000 cm2 V-1 s-1) et une surface spécifique (valeur calculée, 2630 m2 g-1). Les nanofeuillets de graphène (GNs pour graphene nanosheets) (<10 couches) ont des propriétés semblables au graphène tout en étant plus simples à produire ce qui les rend très attractifs du point de vue industriel. L’élaboration de nanofeuillets de graphène dans des matrices polymères et son intérêt dans des applications énergétiques ont déjà fait l’objet de plusieurs travaux de recherche. Cependant, un des points limitant les performances attendues de tels nanocomposites fonctionnels concerne la dispersion du graphène dans la matrice qui va se traduire par la présence d’agrégats. Ce problème entraîne des limitations notamment en terme de conductivité électrique. Les solutions proposées aujourd’hui, qui consistent principalement à fonctionnaliser les nanofeuillets de graphène pour éviter ce problème d’agrégation, ne sont cependant pas satisfaisantes. Cette fonctionnalisation entraîne une dégradation des propriétés intrinsèques des GNs et d’autres voies innovantes doivent être recherchées pour favoriser une dispersion homogène. L’objectif premier de ce projet est de développer un procédé original de structure hybride NTC/GNs (nanotubes de carbone)/graphène dans le but de prévenir cette agrégation. L’idée est de faire croître des NTC directement sur des substrats de graphène à partir d’un procédé CVD (Chemical Vapor Deposition). Pour cela, deux voies vont être explorées. La première va consister à imprégner les graphènes avec une solution de catalyseur ; la seconde s’appuiera sur une méthode de spray pour introduire les catalyseurs et le carbone directement dans le four CVD. Le second objectif de ce projet sera de développer des nanocomposites multifonctionnels à partir de ces premiers travaux. Les applications intéressantes visées concernent des batteries lithium-ion et des supercapacitors. La possibilité de contrôler les propriétés aux interfaces des NTC/GNs permettra de disposer de performances mécaniques, thermiques et diélectriques optimisées ouvrant de nouveaux champs applicatifs.
La synthèse de ces nouvelles structures hybrides nanotubes de carbone/graphène (NTC/GNs) et l’élaboration de leurs composites seront menées au laboratoire NWU pour la méthode CVD imprégnation et au laboratoire LMSSMAT de l’Ecole Centrale Paris pour la méthode CVD en spray. Les composites multifonctionnels à base de NTC/GNs réalisés par LMSSMAT lors de cette première phase seront ensuite étudiés profondément au niveau de leurs propriétés physiques par le LMSSMAT (pour les propriétés mécaniques et thermiques) et le G2Elab (pour les propriétés diélectriques). Le laboratoire NWU étudiera les potentialités de ces matériaux dans les batteries lithium-ion alors que le G2Elab se centrera sur des applications énergétiques orientées vers les supercapacitors et les polymères électro-actifs pour la génération et récupération d’énergie.
Aucun travail sur la synthèse de ces nouvelles structures NTC/GNs et leurs applications n'a encore été rapporté. En résumé, ces nouvelles structures NTC/GN's et leurs applications vont apporter des avantages significatifs tant en potentiel qu'économiques.