Amélioration de l'activité de catalyseurs pour l'électrode à air d'un accumulateur Zn/Air par application d'un champ magnétique stationnaire – MAFIA

Ce projet fondamental et interdisciplinaire implique l’institut de chimie des milieux et des matériaux de Poitiers, l’institut de chimie de la matière condensée de Bordeaux, l’institut Pprime à Poitiers et la société Sunergy.

La prochaine révolution dans le domaine des batteries pourrait provenir des technologies métal-air. En sélectionnant le matériau d’anode il est possible d’ajuster à la fois la densité d’énergie et le coût de stockage du système afin de cibler des applications spécifiques. Zn est l’un des métaux les plus prometteurs. Cependant, les batteries Zn/air souffrent d’une efficacité énergétique et d’une densité de puissance faibles. Ceci est principalement lié à la cinétique lente des réactions de charge (réaction de dégagement d’oxygène - OER) et de décharge (réaction de réduction du dioxygène – ORR) impliquées à l’électrode positive. Il y a donc un besoin urgent de développer de nouvelles stratégies pour implémenter les systèmes Zn/Air avec une électrode à air réversible et stable catalysant efficacement à la fois l’OER et l’ORR.

La stratégie communément employée consiste à synthétiser des matériaux toujours plus actifs et plus stables. Par ailleurs, il a été récemment démontré que l’application d’un champ magnétique statique (CMS) pouvait augmenter significativement la cinétique de l’OER et de l’ORR. Néanmoins les mécanismes associés à ces améliorations ne sont pas complètement compris.

Le projet MAFIA propose une approche nouvelle. L’objectif principal de ce projet (degré de TRL de 4) est double. Il consiste à : (i) concevoir une électrode à air réversible et à l’intégrer dans une batterie Zn/air fonctionnant sous CMS (ii) obtenir une électrode à air stable.
Pour atteindre cet objectif, il est proposé de :

1. Concevoir des catalyseurs efficaces vis-à-vis de l’OER et de l’ORR en milieu alcalin. Les catalyseurs envisagés, exempts d’allotropes du carbone, seront constitués de chalcogénures de métaux de transition 3d (M3dX où M = Fe, Ni ou Mn et X = O et/ou S) déposés sur des MXène à base de Ti ou Ta. Ces matériaux seront caractérisés en employant une approche multi-échelle (échelle macroscopique à nanométrique). La dynamique de l’interface électrode/électrolyte sera étudiée sous condition réactionnelle à l’aide de diverses techniques de caractérisation in situ (microscopie électronique en transmission, diffraction des rayons X, spectroscopies Raman et infrarouge). Cela permettra de révéler :
- les mécanismes réactionnels associés à l’OER et l’ORR
- les phénomènes de reconstruction affectant la surface du catalyseur sous condition de fonctionnement
- les mécanismes de vieillissement des catalyseurs

2. Apporter une compréhension supplémentaire sur les mécanismes responsables de l’amélioration des cinétiques de l’OER et de l’ORR sous CMS, prérequis nécessaire pour envisager l’utilisation de cette méthode d’activation au sein d’une application.

3. Concevoir une cellule Zn/air dédiée opérant sous CMS. Ceci permettra de valider l’approche méthodologique envisagée dans le projet MAFIA. Implémenter une telle cellule nécessitera également d’étudier l’impact du CMS sur l’électrode négative à base de Zn et d’ajuster au mieux, en fonction des résultats obtenus, la composition de l’électrolyte.

Ce projet PRCE permettra aux laboratoires académiques de bénéficier de l’expertise de l’entreprise Sunergy en matière de batteries au Zn pour développer une cellule opérant sous CMS. Cette cellule sera implémentée avec une électrode en zinc et un électrolyte spécialement développés par Sunergy sur la base de produits déjà conçus par l’entreprise. Cela permettra également à Sunergy de bénéficier de l’expertise des partenaires académiques en synthèse et caractérisation de matériaux ainsi qu’en (magnéto)électrocatalyse. L’outil PRCE est donc, dans le cadre de ce projet, utile pour accélérer le développement d’une technologie qui peut révolutionner le domaine du stockage et de la conversion électrochimique de l’énergie.