Nouveau concept de Batterie protonique – H-BAT

Dans le contexte actuel de réchauffement climatique, il faut réduire les émissions de gaz à effet de serre et accélérer la transition énergétique d’une part vers les énergies renouvelables et d’autre part grâce à des moyens de stockage performants. Pour de nouveaux systèmes de stockage électrochimique efficaces, durables et sûrs, le choix du porteur de charge est fondamental. Ce doit être un élément léger, abondant, doté d’une excellente conduction ionique dans les matériaux de l’accumulateur. Le couple proton/hydrogène remplit parfaitement ces conditions en électrolyte aqueux mais il présente toutefois des limitations liées à la corrosion des électrodes en milieu acide ou alcalin fortement concentré et à la fenêtre électrochimique de l’eau qui limite la densité d’énergie.

H-BAT propose un nouveau concept de batteries à conduction protonique dont l'électrolyte est un liquide ionique protique (LIP) non corrosif associé à des électrodes négatives de forte capacité (hydrures métalliques légers) et positives à haut potentiel (phosphates de Fe ou de V). Les liquides ioniques sont des sels fondus à température ambiante, stables thermiquement, sûrs, et présentant une fenêtre d’électroactivité jusqu’à trois à quatre fois plus large que celle de l’eau. Leur réactivité différente de celle des milieux aqueux réduit les phénomènes de corrosion. Par rapport aux liquides ioniques aprotiques, les LIP ont l’avantage d’avoir des protons mobiles, d’être peu coûteux à préparer par des méthodes de synthèse maîtrisées et reproductibles par le LISE, et de présenter des conductivités ioniques compatibles avec une utilisation comme électrolyte (> 1 mS/cm). De plus, l’utilisation d’un LIP permet l’emploi pour la négative d’alliages hydrurables légers de grande capacité, qui permettent une forte augmentation de la capacité spécifique, tout en s’affranchissant des problèmes de criticité. L’élaboration des alliages envisagés (base Mg ou type TiFe), constitue un savoir-faire de l’ICMPE. L’élargissement de la fenêtre électrochimique permettra quant à elle l’utilisation d’une électrode positive de plus haut potentiel pour améliorer la densité d’énergie par rapport aux batteries aqueuses actuelles. L’ICMCB maîtrise la synthèse de ces matériaux de type phosphates.

H-BAT est un projet fondamental visant à développer ce nouveau concept d’accumulateur, à comprendre les mécanismes de transfert du proton entre l’électrolyte et les électrodes et à décrire finement les interfaces LIP-électrodes. Pour cela, le projet est divisé en 4 tâches. Les deux premières, dédiées à la synthèse et la caractérisation des LIP (T.1) et des matériaux d’électrode (T.2), permettront d’identifier les critères clefs pour la sélection du LIP adapté par rapport à chaque famille d’électrodes positive et négative étudiées. La tâche 3 est entièrement consacrée à la compréhension des interfaces, d’une part avec l’étude expérimentale de la croissance, de la stabilité et du rôle de l’interface solide-électrolyte (SEI) - notamment sur le transfert des protons entre LIP et matériaux d’électrode, en mettant en œuvre notamment des techniques d’analyse operando, et d’autre part avec la modélisation des propriétés d’interfaces et des interactions pour aboutir à un mécanisme détaillé du transfert protonique. Ces travaux trouveront leur aboutissement dans la tâche 4 avec l’établissement d’une preuve de concept de la batterie complète. A terme, ce projet vise le développement d’un système électrochimique totalement novateur associant des éléments (électrodes, électrolytes) n’ayant encore jamais été assemblés et présentant une forte densité d’énergie.

Les trois partenaires associent des expertises fortes et complémentaires concernant les LIP et les matériaux d’électrodes, qui seront un atout pour la réussite du projet et permettront de placer les équipes de recherche impliquées en position de leaders sur cette thématique scientifique.