Exploration automatique des Matériaux pour cellules oxydes à conduction protonique – AUTOMAT-PROCELLS

Les piles à combustible et électrolyseurs à oxyde solide sont des dispositifs électrochimiques à base de céramique qui fonctionnent à haute température, typiquement entre 700 et 800 °C. Cette température élevée est nécessaire pour assurer une conversion électrochimique et un transfert des espèces efficaces i.e. pour assurer un rendement énergétique élevé. Malheureusement, associées à des conditions de fonctionnement extrêmes, ces températures de travail élevées entraînent une dégradation rapide. Les efforts de découverte de matériaux ont donc ciblé de nouveaux matériaux d'électrolytes et d'électrodes ayant une conductivité ionique et/ou électronique et une activité électrochimique améliorées, capables de fonctionner à une température plus basse. D'autres stratégies ont porté sur le développement de nouveaux types de cellules à oxyde solide, basées sur de nouveaux porteurs de charge. Parmi celles-ci, les cellules conductrices de protons, qui peuvent fonctionner à une température inférieure à 600°C, sont particulièrement prometteuses. Avec des performances typiques de 0,3 W/cm2 à 600 °C en 2013, elles peuvent maintenant atteindre 1,3 W/cm2 à 600 °C comme reporté en 2018.
Pour atteindre une telle performance, les matériaux ont été conçus avec des compositions complexes contenant 4-5 cations différents, dont les rapports relatifs ont été déterminés empiriquement. Cependant, l'exploration de compositions nouvelles ou optimisées reste limitée par les tâches chronophage de caractérisation de ces matériaux. Ainsi, dans le contexte international hautement compétitif de développement de cellules, de nouvelles approches permettant un criblage rapide de nombreuses compositions pourraient constituer une stratégie efficace pour faciliter le développement de cellules à haute performance.

L'objectif du projet AutoMat-ProCells est précisément de développer le criblage efficace des propriétés intrinsèques de matériaux d'oxyde pour les cellules céramiques conductrices de protons. Il est basé sur une approche expérimentale à haut-débit. Plus concrètement, notre projet associe le dépôt combinatoire par ablation laser pour la préparation de bibliothèques de matériaux, leur caractérisation structurale et chimique exhaustive très efficace, incluant l'emploi de la lumière synchrotron, et la mesure des propriétés de transport par des mesures électriques, l'échange d'isotopique et la sonde nucléaire. Nous obtiendrons ainsi des informations uniques sur la structure, la stabilité, l'hydratation, la conductivité, l'activité électrochimique, la cinétique du transfert et de la diffusion des espèces ioniques, et ce pour un large éventail de compositions. Grâce à AutoMat-ProCells, nous ouvrirons également la voie à une stratégie renouvelée pour une exploration très efficace des matériaux pour les SOC.

Le projet AUTOMAT-PROCELLS permettra de valier l'approche à haut-débit pour l'étude et la découverte de matériaux pour les cellules céramiques à conduction protonique. Il produira une très haute densité d'informations (des centaines de compositions différentes testées) sur les diagrammes de phase importants pour ce type de cellules. Il permettra l'identification de compositions originales présentant des propriétés d'échange, de transport et électrochimiques optimisées. Il génèrera des avancées techniques dans le domaine des expériences à haut-débit comme (i) la conception d'un four de diffraction X pour les échantillons de grande taille particulièrement adapté à la caractérisation de la bibliothèque de matériaux (ii) le développement de dépôt combinatoire bas-coût (iii) l'adaptation de la technique TOF-SIMS pour la caractérisation des films combinatoires. Il constituera un pas important vers l'utilisation d'approches automatisées et parallélisées dans la recherche en sciences des matériaux.