Projet ANR-15-CE05-0011 – IVEDS : Augmentation de la densité d’énergie volumique des supercondensateurs
Programme : Stockage, gestion et intégration dans les réseaux des énergies (DS0205) 2015
Année de financement : 2015
Coordinateur du projet : Monsieur Thierry Brousse (Institut des Matériaux Jean Rouxel)
Montant : 553313.0 euros
Date de début : 2015
Durée : 42 mois
Résumé : Cette proposition vise à résoudre un problème majeur dans le domaine du stockage de l'énergie, dans le cadre du défi «énergie propre, sûre et efficace" (n°2), en particulier sur «l'amélioration de la sécurité et de la densité d'énergie des supercondensateurs" (thème de recherche n°5). IVEDS est basé sur la conception de condensateurs électrochimiques sûrs et à haute densité d'énergie volumique, et sur l'analyse comparative de divers dispositifs asymétriques. Notre objectif final est d'augmenter de 50% la densité d'énergie volumique des supercondensateurs actuels à base de carbone, soit de 7 à 11 Wh/L, tout en gardant une densité de puissance proche de celle des dispositifs actuels (7,5 kW/L puissance utilisable).
Pour atteindre cet objectif, nous proposons de remplacer les électrodes conventionnelles à base de carbone par des oxydes multications de haute densité (> 5 g / cm3) présentant une capacité élevée (> 100 F/g), une durabilité acceptable (>100000 cycles), et une sécurité accrue grâce à l'utilisation d'électrolytes aqueux. Ces nouveaux oxydes (tâche 2) seront basés sur des cations métalliques électroactifs présentant différents degrés d'oxydation, localisés dans un site cristallographique qui favorisent leur comportement pseudocapacitif plutôt que faradique en milieu aqueux. Des surfaces spécifiques de 10 à 100 m2/g sont visées. Parmi les composés synthétisés, les deux chimies les plus performantes seront utilisées comme matières actives dans une formulation de l'électrode de haute puissance, à base de nanocomposites carbone/matériau actif (tâche 3). Deux générations d'architecture  seront fournies pour la préparation des prototypes (format 18650), incluant la préparation des barbotines pour enduire les électrodes, leur bobinage avec le séparateur et leur intégration dans un boîtier polymère avant d'être testées (tâche 4). Des cellules prototypes de 500F sont attendues.
Trois acteurs majeurs dans le domaine des supercondensateurs (IMN, ICG) et l'analyse comparative des batteries lithium-ion (LRCS) sont impliqués dans ce projet novateur qui cible un changement de paradigme des carbones aux oxydes pour des applications où la densité d'énergie volumique et la sécurité sont les paramètres clés. Ce consortium bénéficiera de son appartenance au réseau français sur le stockage de l'énergie (RS2E - http://www.energie-rs2e.com/fr).
Le projet fournira des connaissances de base sur l'influence de la chimie du solide sur les performances électrochimiques d'oxydes utilisés comme électrodes de supercondensateurs, en mettant l'accent sur la nature cristallographique des phases synthétisées, ainsi que sur l'influence des cations "spectateurs". Cette recherche fondamentale sera utilisée pour mettre en œuvre une recherche plus appliquée sur la préparation d'électrodes nanocomposites qui combinent de manière adéquate la matière active avec du carbone dans une architecture assurant des conductivités électronique et ionique optimisées. Cela démontrera comment un oxyde intéressant peut être intégré dans une électrode performante. Des résultats fondamentaux sont également attendus de cette étape et ils fourniront de nouvelles perspectives sur les synergies entre le carbone et les oxydes. La sélection des oxydes et des architectures sera réalisée par les 3 partenaires afin de porter le projet vers un champ plus appliqué. En effet, la formulation d'électrodes à base d'oxyde et l'intégration dans des prototypes industriels a été peu étudiée jusqu'à présent. Cela fournira des données précieuses à la fois pour les chercheurs qui ont peu d'indices sur le comportement de leurs nouveaux matériaux à l'échelle d'une cellule réaliste, et pour les utilisateurs potentiels qui aimeraient savoir ce qui peut être attendu comme performances de la part de ce type d'électrodes. Ceci sera couplé avec une stratégie de diffusion des résultats à différents partenaires industriels potentiels, depuis les fabricants de matériaux jusqu'à des utilisateurs potentiels.