Spectroscopie et imagerie operando de batteries par résonance magnétique in situ – OSIRIS

Nos méthodes de création, stockage et utilisation de l'énergie doivent être optimisées au vu des inquiétudes sur les réserves d'énergie fossile et les émissions de dioxyde de carbone. La volonté de l'Europe et de la France d'augmenter la part des énergies renouvelables dans leur consommation crée des challenges pour le système énergétique global. La plupart des sources d'énergie renouvelables (éolien, solaire, vagues...) sont intermittentes. Elles génèrent de larges variations dans la chaîne de distribution d'énergie, qui, ajoutées aux inévitables pics du côté de la demande, exigent plus de souplesse du réseau énergétique. La flexibilité du réseau peut être améliorée notamment par le développement d’une technologie efficace de stockage de l'énergie. Le but est d'améliorer la densité d'énergie (quantité d'énergie stockée) et les puissances spécifiques (vitesses de charge et décharge) des dispositifs de stockage de l'énergie sans oublier les contraintes de sécurité, fiabilité et coût.

La recherche de nouveaux matériaux de batterie plus performants est extrêmement active. Le développement d'électrodes plus épaisses est une approche complémentaire, mais elles ne tolèrent en général que des vitesses de charge faibles créant des problèmes de reproductibilité et de sécurité. Les (dis)charges rapides créent des structures hors équilibre qui évoluent rapidement à l'arrêt du courant. La caractérisation en temps réel des mécanismes impliqués dans ces systèmes extrêmement réactifs est essentielle pour comprendre leur origine et produire des sauts technologiques. Les mesures en temps réel et dans des « conditions réalistes » est un réel challenge pour toutes les techniques de caractérisation.

Dans le projet OSIRIS, nous proposons de développer la spectroscopie et l'imagerie de résonance magnétique (RM) en temps réel et sur des batteries en fonctionnement. Les deux techniques concernées, la résonance nucléaire magnétique (RMN) et la résonance paramagnétique électronique (RPE) seront développées et combinées pour exploiter leurs complémentarités. La RM est un puissant outil de caractérisation non destructif et hautement sensible à l'environnement local de sa sonde, très complémentaire des autres techniques. Elle mesure les propriétés des moments magnétiques moyens associés à des spins. La RPE détecte la réponse des spins électroniques et apporte de précieuses informations sur la structure électronique des matériaux. La RMN quant à elle masure le signal d'atomes au spin nucléaire non nul (7Li, 6Li, 23Na, 31P...) qui est très sensible à leur environnement local et dynamique. Chacune a également deux volets très complémentaires, la spectroscopie et l'imagerie - la première fournit des informations détaillées sur l'environnement local du spin nucléaire/électronique tandis que la seconde apporte une information spatiale.

Le principal verrou pour la RMN est la présence d'ions paramagnétiques (ie des électrons non appariés) dans les électrodes à au moins une étape du processus de charge-décharge, qui compliquent grandement l'imagerie et la spectroscopie de batteries complètes en fonctionnement. Ce projet a trois objectifs: développer l'imagerie spectroscopique 3D par RMN (IRM) operando, avec une résolution spatiale améliorée, pour des batteries contenant des électrodes paramagnétiques; augmenter la résolution spectrale en spectroscopie RMN in situ en mettant en rotation pour la première fois une batterie; et réaliser operando des images hypercomplexes de batterie, pour lesquelles chaque voxel contiendra l'information spectroscopique RMN et RPE.

Bien que le projet se concentre sur les études de RM de batterie, les applications pourront être étendues plus tard à de nombreux solides contenant des atomes paramagnétiques. Cette approche non destructrice pourrait aider à déterminer la composition chimique de roches géologiques précieuses ou les composants solides de réacteurs de cristallisation, de catalyse ou de vitrification en fonctionnement.