Matériaux carbonés à piliers intelligents pour électrode de supercondesnateurs: de la compréhnesion de smécnaissmes de transports ioniques aux tests en dispositifs – SPICS

Le projet suivra tout d’abord des étapes de préparation de matériaux réalisés à partir de nouveaux piliers, et de mise au point de technique de caractérisation par SECM sur des matériaux standards.
Dans un 2ème temps, les premiers matériaux seront testés électrochimiquement dans des électrolytes à base de CH3CN pour une caractérisation standard, puis dans des électrolytes à base de liquides ioniques.
Les études de caractérisations avancées seront ensuite débutées sur des échantillons de référence dérivés de graphène, puis sur les premiers graphènes pontés et se poursuivront ainsi le long du projet, et ce dans des électrolytes standard ou LI.
Les informations physico-chimiques, morphologiques et mécanistiques acquises permettront, en retour, de faire évoluer les voies d’optimisation des matériaux ou de leurs formulations.


Les résultats électrochimiques permettront de sélectionner le couple matériau-électrolyte le plus performant, sur la base des valeurs de capacité, des constantes de vitesse de transferts ioniques et électroniques… Ce couple matériau-électrolyte sera utilisé pour développer un dispositif tout solide complet constitué d'un matériau d'électrode/électrolyte incorporé dans une matrice solide (ionogel).

Après 6 mois d’activité, la partie scientifique du projet a démarré selon le planning prévu avec les réalisations suivantes : 1) les premiers échantillons de graphène pontés ont été produits, 2) une étude sur les conditions de réduction des échantillons d’oxyde de graphène, qui seront par la suite appliquées à la réduction de graphènes pontés, a été réalisée, et 3) les conditions d’observation par SECM d’échantillon de référence ont été mises au point.

Les perspectives suivront le déroulement défini initialement, avec notamment à court terme les premières études électrochimiques sur les différents échantillons de graphène.

Poster Graphene 2021

SPICS vise à développer des matériaux carboné 2D innovants, dotés de capacités de stockage améliorées, pouvant être utilisés comme matériaux d’électrode dans des supercondensateurs. L’idée originale est d’obtenir cette porosité 2D en pontant des feuillets de graphène entre eux par l’intermédiaire de piliers moléculaires, de dimension adaptée à la taille des espèces électrolytiques, mais également eux-mêmes actifs dans les mécanismes de stockage. Ainsi des piliers, dont la nature leur confère une interaction particulière avec l’électrolyte (polarité, hydrophobicité) ou étant redox actifs, seront testés, de façon à favoriser la dynamique de transport de charge, ajouter une composante faradique au système ou apporter une meilleure cyclabilité au matériau. Une partie importante du projet sera consacrée à une analyse approfondie des mécanismes de compensation de charges observés pour ces matériaux grâce à l'utilisation et au développement de techniques de caractérisation de pointe: les évolutions chimiques, structurales, mécaniques, ainsi que les constantes de transfert de charges, seront étudiées par (ss)NMR/DNP, technique dérivées du QCM (EQCM, QCM couplé à un EIS et un QCM couplé à une impédance électroacoustique) et SECM. Pour les évaluations électrochimiques, différents électrolytes liquides seront testés (des sels d’ammoniums dans CH3CN aux liquides ioniques). Ce lien étroit entre développement de matériaux, caractérisation avancée et évaluation électrochimique aboutira à l’établissement d’un cercle vertueux permettant à la fois une avancée majeure dans la corrélation des phénomènes de transfert de charge aux propriétés des matériaux de carbone 2D, ainsi que la sélection des matériaux les plus prometteurs. Ces derniers seront testés avec un électrolyte à l'état solide basé sur l'utilisation d'ionogel. Ce projet combine donc efforts fondamentaux et tests préliminaires répondant à une demande sociétale importante, puisque l’obtention de SC tout solide présentant des capacités gravimétrique et volumétrique de l’ordre de 300 F/g et 400 F/cm3, ainsi qu’une rétention de capacité de 90% après 10000 cycle est ciblée.

SPICS sera mené à bien par un consortium de 3 partenaires : le CEA, le CIRIMAT et le LISE. L'expertise et la complémentarité des 3 partenaires (CEA : développement de matériaux à base de graphène, analyses par (ss)RMN/DNP, CIRIMAT : caractérisations électrochimiques de matériaux, analyses par SECM, LISE : études par EQCM et techniques) sont essentielles au succès du projet.