Imagerie du stockage électrochimique de l'hydrogène à l'échelle nanométrique – ECHoS

Les hydrures métalliques sont essentiels pour le stockage électrochimique de l'énergie. Ils sont notamment utilisés pour stocker de façon sécuritaire l'hydrogène sous forme solide et comme matériaux actifs dans les batteries rechargeables nickel-hydrure métallique. Pour améliorer l'efficacité de l'absorption de l'hydrogène, accélérer la cinétique de (dé)hydrogénation et augmenter la cyclabilité des matériaux actifs, deux stratégies sont désormais envisagées : l'utilisation d’alliage et la miniaturisation. Cependant, cela rend l'étude des matériaux actifs beaucoup plus difficile en raison de la présence d'interfaces nano-structurées, d'hétérogénéités entre les particules et de changements nanoscopiques dans la composition des matériaux.
L'objectif du projet ECHoS est donc de développer des stratégies analytiques avancées capables de sonder operando l'insertion et la libération électrochimiques de l'hydrogène dans des matériaux solides, de l'échelle nanométrique à l'échelle microscopique. Pour réaliser cette tâche difficile et parce que l'hydrogène est l'élément chimique le plus léger, ECHoS s'appuie sur un microscope optique interférométrique extrêmement sensible (aussi appelé iSCAT) couplé à l'électrochimie pour visualiser et quantifier instantanément la formation d'un hydrure métallique dans différents systèmes avec une résolution spatiale et temporel très élevée.
D'abord utilisée à l’échelle de la nanoparticule unique, des nanoparticules de palladium aux nano-alliages métalliques plus complexes synthétisés avec de nouvelles méthodes d'électrodéposition confinées à l'échelle nanométrique, la technique de nano-imagerie peut aussi s’attaquer aux microparticules d’alliages de type ABy (2<y<5) employées dans les nouvelles générations de batteries nickel-hydrure métallique. Le projet ECHoS bénéficie également d'approches méthodologiques récentes et innovantes basées sur les concepts de la microscopie corrélative et de la vision assistée par ordinateur. La microscopie corrélative fournit des informations structurelles et chimiques post-mortem complémentaires grâce à l'observation concertée des mêmes particules avec différentes techniques d'imagerie. La vision assistée par ordinateur peut ensuite aider à établir des relations claires entre la structure et la composition ou l'activité d’un matériau à l'échelle nanométrique grâce à un traitement avancé des images collectées. <br />L'utilisation d'une analyse multi-échelle devrait permettre de comprendre les origines de la diminution des performances des matériaux micro et nanostructurés, de décrire et ensuite d’inhiber leur dégradation provoquée par des contraintes mécaniques induites notamment par les cycles répétitifs d'absorption et de libération d'hydrogène. À long terme, cette méthodologie devrait permettre de diagnostiquer en temps réel le vieillissement des batteries, les phénomènes d’autodécharge, etc. et d'identifier les matériaux de demain pour le stockage de l'hydrogène, une étape essentielle vers l'utilisation à grande échelle de l'hydrogène décarboné et vers la transition énergétique.