Projet ANR-13-PRGE-0011 – ICROSS : Systèmes de Stockage organique basés sur des carbones redox actifs améliorés
Programme : Production Renouvelable et Gestion de l'Electricité (PROGELEC) 2013
Année de financement : 2013
Coordinateur du projet : Monsieur Joël GAUBICHER (Institut des Matériaux Jean Rouxel)
Partenaires : Centre Interuniversitaire de Recherche et d'Ingénierie des Matériaux; Institut des Matériaux de Nantes Jean Rouxel; Institut des Sciences et Technologies Moléculaires d'Angers; UQAM Université du Québec à Montréal
Montant : 605563.0 euros
Date de début : 2013
Durée : 42 mois
Résumé : Ce projet porte sur le point 4.2 de l'appel à propositions, dédié aux supercondensateurs (SCs)  dits ultracondensateurs. Ce point indique que: « Un important effort de recherche doit se concentrer sur l'amélioration de la densité d'énergie, y compris la mise en œuvre de nouveaux électrolytes organiques pour augmenter la fenêtre électrochimique et la sécurité. Les systèmes asymétriques ou hybrides sont d'autres avenues à explorer ».
Notre objectif est de doubler la densité d'énergie des SC existants, soit de 5 à 10 Wh/kg (ou de 7 à 15 Wh/L). Contrairement à la plupart des efforts de recherche actuels qui visent à remplacer le carbone par d'autres matériaux (oxydes, nitrures), ce qui conduit à des changements drastiques des processus de fabrication, nous proposons de garder l'électrode de carbone mais en implémentant des molécules électroactives qui seront ancrées à la surface du carbone. Cette stratégie permet d’ajouter une composante faradique à la capacité de double couche du carbone. Ce concept n'est pas nouveau puisqu'il a été développé depuis plus de 5 ans par les partenaires de ce consortium, ainsi que par d'autres équipes. Cependant, la plupart des travaux ont été effectués dans des électrolytes aqueux. Le niveau de maturité technologique (TRL) est au stade 2 (l’invention commence, les applications pratiques peuvent être inventées). Notre objectif est d’une part, d'appliquer les connaissances actuelles au développement de dispositifs dans des électrolytes organiques, et de pousser le niveau TRL au stade 4 (les composants technologiques de base sont intégrés pour montrer que le système complet fonctionne), et d’autre part d’être capable, à la fin du projet, de pourvoir des entreprises avec des cellules prototypes pour initier l'étape 5 de TRL (validation de composants dans un milieu pertinent). Par conséquent, le présent projet est majoritairement consacré à du développement technologique.
Nous voulons améliorer la densité d'énergie de systèmes carbonés en électrolyte organique d’un facteur deux. Cet objectif sera atteint en gardant la même tension de cellule (ou légèrement supérieure), quasiment la même capacité double couche (EDLC), mais en ajoutant une capacité faradique supplémentaire (et non capacitance puisque qu’il s’agit de phénomènes purement faradiques) aux deux électrodes de carbone par fonctionnalisation de leur surface avec des molécules électroactives judicieusement choisies. Ce concept a été appliqué avec succès pour des électrolytes aqueux en utilisant des carbones fonctionnalisés par des quinones.
Le choix des molécules électroactives (processus multi-électroniques préférés aux processus mono-électronique, faible poids moléculaire, appropriée à la fenêtre électrochimique ...), le choix du carbone (grande surface, porosité adéquate et peu affectées par le greffage moléculaire, etc ...), l'interaction entre les molécules et la poudre de carbone (haut rendement de greffage, etc.) et enfin le comportement des électrodes de carbone modifiés dans différents électrolytes organiques (ou liquide ionique) sont les points clés qui contrôlent les performances finales des électrodes de carbone modifiés. Ces exigences correspondent aux 5 tâches du projet.
De plus, l’objectif de doubler la densité d’énergie doit être atteint tout en conservant à la fois une forte densité de puissance et une bonne cyclabilité qui constituent les goulots d'étranglement de la technologie proposée. A cet effet, un consortium regroupant 4 laboratoires académiques (y compris un partenaire canadien) a été mis en place. Les 4 laboratoires ont travaillé ensemble pendant plus de 12 ans avec plus de 30 articles et de communications communs ainsi que 5 doctorants et post-doctorants communs. Le consortium a également l’avantage d’appartenir au Réseau français sur le stockage de l'énergie (RS2E - http://www.energie-rs2e.com/fr) et de bénéficier de ses installations de prototypage ce qui permettra de transformer un concept en de véritables cellules de 1000F.