Matériaux des nouvelles technologies pour l’énergie
Dispositif pour la synthèse de nanoparticules de type c½ur-coquille par pyrolyse laser pour les accumulateurs Li-ion.
Découvrir et maitriser de nouvelles technologies pour l'énergie (NTE) est en enjeu majeur pour diversifier notre production énergétique, optimiser la conversion ou le stockage de l'énergie, tout en gérant mieux les émissions de gaz à effet de serre (énergies "décarbonnées").
Dans ce domaine, l’IRAMIS mène des recherches sur les matériaux des nouvelles technologies de l’énergie, en s’appuyant sur ses recherches fondamentales en nanosciences, en nanochimie et en fonctionnalisation des nano-objets, incluant :
- la production d’énergie électrique (photovoltaïque, piles à combustible, thermoélectricité)
- la gestion optimisée de l’énergie (photoélectrolyse de l’eau, stockage de l’énergie électrique dans des batteries ou des supercondensateurs –mais aussi stockage chimique, avec la conversion du CO2 en molécules à haute valeur ajoutée).
- le recyclage des matériaux critiques, qui est un enjeu pour le développement des énergies nouvelles.
- L’IRAMIS développe une activité complémentaire sur la dépollution et le recyclage des éléments rares, éléments thématiques stratégiques pour accompagner la transition énergétique.
Les recherches fondamentales sur les matériaux permettent de développer des méthodes pour élaborer des matériaux complètement nouveaux aux propriétés originales.
Ces recherches permettent d'adapter les matériaux pour obtenir les meilleures performances dans la réaliation de dispositifs électroniques ou optiques.
Une autre voie de recherche est d'adapter les matériaux pour obtenir les meilleures performances dans la production d'énergie, pour résister à la corrosion, obtenir des matériaux fonctionnalisés ou encore avec de bonnes propriétés catalytiques.
Des méthodes théoriques et des simulations permettent de guider ces recherches pour la réalisation de matériaux "à façon".
L'activité de recherche au NIMBE sur les nouvelles technologies de l'énergie et la transition énergétique est ciblée sur plusieurs axes :
L'UMR NIMBE explore et développe des matériaux nanostructurés pour les nouvelles technologies de l'énergie (NTE) :
Batteries
- les électrodes de batteries Li-ion comme des nanoparticules de silicium recouvertes d’une coquille de carbone (équipe LEDNA du NIMBE)
- les générations de batteries post Li-ion (Mg-ion, Li-air…) (équipe LEEL du NIMBE)
- des tapis de nanotubes de carbone alignés (équipe LEDNA du NIMBE) et des matériaux carbonés mésoporeux (équipe LICSEN du NIMBE) pour des électrodes de supercondensateurs
Le développement des nouvelles technologies pour l'énergie implique de maitriser les processus de conversion entre ses différentes formes (solaire, thermique, chimique, électrique, mécanique, ...), ainsi que les procédés de stockage :
L'énergie solaire peut être directement transformée en énergie électrique via les processus photovoltaïques et stockée dans des accumulateurs. Elle peut aussi être directement transformée en énergie chimique (hydrogène) par photocatalyse. L'énergie électrique, quelque soit son origine, peut aussi être stochée sous la forme d'hydrogène, utilisable dans les piles à combustibles. Le rendement de conversion est directement lié à celui des processus électrochimiques associés (au cours de l'électrolyse ou à l'utilisation dans une pile).
Plusieurs pays envisagent de développer une technologie de barrières multiples pour la sécurité du stockage des déchets nucléaires. Une question centrale est de savoir modéliser le comportement sur le long terme (soit 100 à 1000 ans) des matériaux utilisés, en particulier des containers, en acier faiblement allié, et de la matrice vitrifiée.
Dans ce cadre général, le NIMBE/LAPA cherche à mettre en évidence les mécanismes de corrosion à long terme de systèmes contenant des alliages ferreux et du verre dans les divers milieux envisagés pour le stockage profond ou les stockages provisoires (atmosphère, béton et liants hydrauliques).
La méthode est basée sur l'étude d'analogues archéologiques provenant de sites de référence sur lesquels il est possible de mesurer les paramètres environnementaux et de disposer d'un nombre d'objets suffisants pour une étude en laboratoire. Ceux-ci sont ensuite étudiés à différentes échelles de l'échelle macroscopique à celle du nanomètre. L'étude d'échantillons altérés dans des conditions contrôlées en laboratoire complète l'approche.
Several countries envisage to develop a multibarrier concept for the safe storage of nuclear wastes. The main issue is to manage to predict on the long term (i.e. 100 to 1000 years) the behaviour of the materials and especially of the low alloy steel overcontainer and its vitrified matrix, by modelling.
In that general framework, LAPA is interested to evidence long-term corrosion mechanisms of systems containing ferrous alloys and glass in various media concerned by deep storage (anoxic carbonated water) or interim storage (atmosphere, concrete and hydraulic binders).
The methodology is based on the study of archaeological analogues coming from reference sites on which it is possible to measure the environmental parameters and to sample a significant number of artefact that can be later studied in laboratory. The system is then investigated at different scales from macro to nanometer. Studying short-term altered samples in controlled conditions in the laboratory completes the approach.
Les neutrons constituent une sonde particulièrement intéressante pour étudier la structure des matériaux : ceci en particulier grâce à leur faible absorption permettant de travailler sur des pièces d'épaisseur centimétrique, et aussi grâce à la relative facilité de réaliser des expériences en conditions complexes (températures élevées, matériau sous contraintes, ...). Les études portent principalement sur :
- Microstructure
- Propriétés mécaniques
- Vieillissement
La diffusion de neutrons permet ainsi l'étude fine des matériaux métallurgiques, dont notamment ceux entrant dans la concetion des réacteurs nucléaires.
Neutrons are highly interesting to probe the structure of materials: due to low absorption, centimeter-thick pieces can be studied, with a relative ease of performing experiments in complex conditions (high temperatures , material under stress ...). The studies focus on:
- Microstructure
- Mechanical properties
- Aging
Les surfaces d'un solide forment un lieu particulier, où les atomes de l'ultime couche atomique ont perdu la moitié de leurs voisins, comparé à un atome placé dans le volume. Il s'en suit des propriétés électronqiues très spécifiques. La surface des matériaux est aussi le lieu de la croissance critalline ou du dépôt de couches minces, dont l'organisation peut apporter des propriétés très spécifiques. La fonctionnalisaiton de surface permet de développer
C'est aussi le lieu de l'interaction de l'objet avec le milieu extérieur : lumière, atomes et molécules de l'atmosphère ambiante, vide...
Plusieurs équipes du SPEC (LENSIS, LEPO, LNO et GMT) étudient, expérimentalement et par des méthodes de simulation atomistique, et utilisent les propriétés de surface pour conduire leurs recherches.
La plupart des synthèses chimiques sont réalisées en milieu liquide. Pour l'élaboration de nanoparticules et les nanomatériaux, de multiples méthodes de synthèse en phase gaz se révèlent particulièremetn utiles et performantes .
L'équipe LEDNA du NIMBE a ainsi plus particulièrement réalisé des développement originaux pour l'élaboration et la caractérisation de nano-objets en phase gaz :
- Dépôt en phase vapeur (PVD) couplé aux jets de nanoparticules pour la synthèse de revêtements nanocomposites fonctionnels
- Un bâti de pyrolyse laser mono ou double étage,
- Un dispositif d'analyse physico-chimique en phase gazeuse de nanoparticules isolées
