Electrodes photorégénératives et batteries lithium-ion photorechargeables – PHOTO2BATT

Le programme Photo2Batt vise l’émergence de nouvelles connaissances et de technologies énergétiques innovantes à l’interface entre la science des matériaux et la chimie supramoléculaire ainsi qu’à celle entre les systèmes permettant la conversion de l’énergie et ceux dédiés au stockage. Ce programme intègre de nombreux concepts clés en électrochimie et en photo-électrochimie. Le cœur du projet concerne l’étude et la mise à profit de phénomènes d’insertion ou d’extraction d’ion lithium dans des matériaux inorganiques hôtes, engendrés non plus sous l’action d’un courant extérieur comme dans les systèmes électrochimiques conventionnels, mais cette fois-ci grâce à l’absorption de lumière. L’intérêt fondamental et technologique de ce type de mécanisme est manifeste, ce que le projet inspire à développer au travers de 4 taches de travail qui allient développement de matériaux bi-fonctionnels et leurs intégrations, recherches fondamentales et appliquées.
La mise au point de ces matériaux bifonctionnels est clairement une rupture vis-à-vis de l’état de l’art si on les rapporte aux matériaux d’électrode de batteries conventionnelles qui supportent l’unique fonction de stockage électrochimique de l’énergie. Le fruit des activités portées dans Photo2Batt conduira à la mise au point de batteries lithium-ion photorechargeables performantes et également à une première technologie photovoltaïque non intermittente grâce à la dualité fonctionnelle des matériaux qui la compose : conversion et stockage. On mesure donc tout l’enjeu du projet de recherche proposé à l’ANR et qui si financé sera également fortement soutenue par la région Picardie.
L’approche scientifique menée dans Photo2Batt pour arriver à cet objectif ambitieux comprend deux voies. La première consiste à exciter le bandgap du matériau d’insertion par de la lumière de manière à séparer efficacement les paires électrons/trous dans la zone de déplétion du semi-conducteur. Les porteurs de charges minoritaires migrant vers la surface de la particule vont conduire soit à l’insertion de lithium/réduction du matériau si le semi-conducteur est de nature –p ou alors à l’inverse extraire du lithium/oxyder le matériau si le semi-conducteur est de nature –n (WP2). La preuve du concept de batteries lithium intégralement photorechargeables a récemment été établie et brevetée par notre groupe. La deuxième approche consiste au greffage de pigments sensibilisateurs sur le matériau d’insertion. Cette approche, plus risquée, contribuera à une amélioration importante des performances du système en termes d’absorption de lumière, photo-courant induit et rendement de collection des charges (WP3).
Ces deux axes de recherche s’appuient sur une tache plus fondamentale combinant des mesures laser ultra-rapides (TCSPC) pour mesurer les constantes de vitesse de réaction de transfert de charges (ps – ms) et la spectroscopie d’impédance complexe (ms-s) (WP1). Ces mesures permettront de mieux appréhender l’aspect mécanistique et cinétique de ces réactions photo-induites et également de compléter la première description établie par Gerischer sur l’interface semi-conducteur / électrolyte dans le cas particulier où le semi-conducteur comprend un couple redox interne et l’électrolyte un ion transférable. Deuxièmement, cette tache permettra aussi de guider les expérimentalistes pour améliorer nos systèmes et établir une relation entre propriétés photoélectrochimiques et courbure de bande, densité de porteur de charge, absorption de lumière et temps de vie des états excités.
De par son caractère multidisciplinaire, ce projet s’inscrit comme un programme de recherche risqué, en rupture technologique avec les dispositifs existants, mais qui par conséquent dispose d’un fort potentiel de valorisation et de rayonnement scientifique d’un point de vue fondamental et aussi appliqué, permettant de déboucher sur de nouveaux concepts pérennes de conversion et de stockage électrochimique de l’énergie.