De nombreuses technologies actuelles et futures nécessitent des dispositifs de stockage d’énergie qui présentent de fortes puissances et une grande durée de vie. Les supercondensateurs, les batteries de puissance et les systèmes hybrides entre ces deux types de dispositifs répondent à ces critères.

Les recherches menées sur ces dispositifs visent à augmenter leurs densités d’énergie tout en conservant des densités de puissance intéressantes (50 Wh/kg, 5kW/kg) et une cyclabilité importante (> 10 000 cycles). Ces développements passent par la recherche de nouveaux matériaux d’électrode ou par la modification de matériaux existants, ainsi que par la compréhension des mécanismes de stockage de charges à travers des techniques de caractérisation avancées in situ ou operando couplées à des études électrochimiques.

Ces développements font appel à la chimie du solide pour la conception de nouveaux composés répondant au cahier des charges, mais également à l’utilisation de matériaux recyclés, principalement à base de carbone. Ces matériaux d’électrodes peuvent être associés pour concevoir des cellules complètes.

Le dépôt sous forme de films minces de ces matériaux par procédés plasma froid (collab. équipe PCM) permet également la conception de micro-dispositifs de stockage d’énergie pour l’internet des objets par exemple. L’approche suivie dans l’équipe fait appel à la micro et nano structuration 3D, ainsi qu’à l’utilisation d’électrolytes de type ionogels (collab. équipe PMN).

Domaines d’application : énergies renouvelables (éolien, solaire, houlogénérateurs, …), véhicules robotisés autonomes dans les usines 5.0 (AGV), engins de manutention (couplage avec des piles à combustibles), micro-capteurs, micro-dispositifs…

Mots clés : supercondensateurs, batteries de puissance, systèmes hybrides, lithium-ion capacitor, sodium-ion capacitor.

Projets de recherche en cours :

  • Projets européens : Materials for sustainable sodium-ion capacitors (MUSIC), programme doctoral des batteries du futur (DESTINY).
  • Projets du PEPR Batteries (France 2030) : projet ciblé High Power and Hybrid Batteries (HIPOHYBAT, coordination), projet franco-allemand Batteries de puissance tout-solide (HIPOBAT).
  • Projets ANR : Ingénierie de matériaux hybrides multifonctionnels pour le stockage électrochimique de l’énergie (HOMERE), micro-condensensateur 3D hybride, compact et tout solide pour l’électronique haute tension à charge rapide (MEMPACAP), Ingénierie des défauts dans des carbures de métaux de transition bidimensionnels de type MXene (2Dfects). Electrodes 3D pour les microsupercondensateurs (PERFORM).

Personnes concernées : Thierry Brousse (animateur de la thématique), Laurence Athouël, Olivier Crosnier, Camille Douard, Jérémy Barbé

1- Nouveaux matériaux d’électrodes

Caption : Structure cristalline de H0.25Cs0.5Nb2.5W2.5O14, confirmation de la répartition des éléments par STEM-EDX (Cs: jaune, Nb: rouge, W: bleu), voltampérogramme d’une électrode réalisée avec cet oxyde, montrant l’insertion de lithium dans la structure (d’après : Chem. Mater. 2023, 35, 8, 3162–3171).

Les matériaux d’électrode pour les supercondensateurs, les batteries de puissance, et les systèmes hybrides sont au cœur des performances de ces dispositifs. Nos travaux de recherche se focalisent sur la synthèse par différentes voies, notamment par chimie douce, de nouveaux matériaux tels que des oxydes multicationiques (bronzes, phases de type Wadsley-Roth, …), des hydroxydes double lamellaires, ou des MXenes, présentant des structures en feuillet (2D) ou des larges tunnels dans différentes directions. L’ingénierie des lacunes au sein de ces matériaux, introduites à travers la synthèse ou l’irradiation sous faisceau d’ions lourds au GANIL, permet également de moduler les propriétés électrochimiques.

L’objectif principal réside dans la détermination des relations entre structure cristalline, microstructure et propriétés électrochimiques. La compréhension des phénomènes de stockage des charges est un axe de recherche majeur qui fait appel à des techniques avancées de caractérisation, notamment au Synchrotron SOLEIL avec des mesures XAS operando réalisées grâce à une cellule in situ développée au laboratoire. La fonctionnalisation de carbones et d’hydroxydes doubles lamellaires par des molécules électroactives est également une voie poursuivie pour augmenter significativement les capacités des électrodes. Les matériaux d’électrode les plus pertinents sont intégrés dans des dispositifs ou des microdispositifs, en milieux aqueux, organiques ou ionogels.

Expertises : Synthèses, modifications et caractérisations structurales et microstructurales de nouveaux matériaux (oxydes, phosphates, …) pour électrodes de supercondensateurs ou de batteries de puissance, investigations des mécanismes de stockage des charges par techniques couplées in-situ et operando, intégration des matériaux synthétisés dans des dispositifs complets.

Mots clés : Chimie des matériaux, chimie douce, hydroxydes doubles lamellaires, perovskites, phases Wadsley-Roth, MXenes.

Collaborations

  • International : Prof. Bruce Dunn et Prof. Laurent Pilon (UCLA, USA), Prof. J. T. S. Irvine (Université de Saint-Andrews, UK), Prof. Olivier Fontaine (U2M, Canada), Prof. Raul Lucio-Porto (UANL, Mexique).
  • Europe : Prof. Andrea Balducci (FSI Jena, Allemagne), Dr Beatriz Mendoza-Sanchez (KIT, Allemagne).
  • France : Dr Frédéric Favier (ICGM), Prof. Patrice Simon, Dr. Pierre-Louis Taberna et Dr Patrick Rozier (CIRIMAT), Dr. Clara Grygiel et Dr. Isabelle Monnet (CIMAP/GANIL), Prof. Christine Taviot-Guého et Dr. Fabrice Leroux (ICCF), Dr. Gwenaëlle Toussaint et Dr. Philippe Stevens (EDF R&D), Dr. Richard Retoux (CRISMAT), Prof. Vincent Mauchamps, Dr. Simon Hurand et Dr. Marie-Laure David (Institut Pprime), Dr. Stéphane Célarier et Dr. Aurélien Habrioux (IC2MP).

Personnes de l’IMN concernées : Thierry Brousse, Laurence Athouël, Olivier Crosnier, Camille Douard

Projets de recherche

  • Projets du PEPR Batteries (France 2030) : projet ciblé High Power and Hybrid Batteries (HIPOHYBAT, coordination), projet franco-allemand Batteries de puissance tout-solide (HIPOBAT).
  • Projet ANR : Ingénierie de matériaux hybrides multifonctionnels pour le stockage électrochimique de l’énergie (HOMERE), Ingénierie des défauts dans des carbures de métaux de transition bidimensionnels de type MXene (2Dfects).

Publications majeures

2- Carbones recyclés et dérivés pour les dispositifs de stockage d’énergie de forte puissance 

Caption : Schéma général de l’utilisation directe d’un adsorbant pour la dépollution du mercure et sa réutilisation ultérieure comme électrode pour un dispositif de stockage d’énergie (d’après : Adv. Energy Sustainability Res. 2025, 6, 2400195).

Les matériaux à base de carbone sont utilisés dans de nombreuses applications, tels que les composites carbone-résine utilisant des fibres de carbone pour l’industrie aéronautique, ou les absorbants servant à la décontamination des eaux usées par captation des métaux lourds en solution. En fin de vie, ces matériaux deviennent des déchets qui sont peu valorisés actuellement. Pourtant les carbones sont les matériaux de base des électrodes de supercondensateurs, ou des électrodes négatives de batteries lithium-ion et sodium-ion.

Les travaux de l’équipe concernent le recyclage de différents matériaux carbonés en fin de vie dans des applications de stockage de l’énergie. Des absorbants en oxyde de graphène rédurit (rGO) permettent de décontaminer différentes solutions en capturant des cations de plomb, de mercure ou d’autres métaux. L’activité électrochimique de ces métaux piégés dans la nanostructure du carbone permet d’ajouter une composante faradique à la capacité de double couche du carbone pour une utilisation en supercondensateur, procurant ainsi une deuxième vie à forte valeur ajoutée à un déchet potentiel.

De la même façon, les fibres de carbone issues du recyclage des composites ont montré des performances en puissance significativement améliorées comparées aux carbones durs usuels des batteries sodium-ion. Ceci a conduit à la conception de sodium-ion capacitors intégrant des fibres de carbone valorisées autrement que pour leurs propriétés mécaniques.

Expertises : Valorisation de déchets à base de carbone, fabrication d’électrodes avec des matériaux carbonés en fin de vie, conception de systèmes de stockage intégrant ces matériaux, synthèse de molécules sacrificielles permettant la pré-lithiation ou la pré-sodiation des électrodes négatives.

Mots clés : Supercondensateurs, sodium-ion capacitor, fibres de carbone, graphène, adsorbants, recyclage.

Collaborations

  • International : Dr. Benjamin Ossonon et Dr. Aliou Pohan (Université Peleforo Gon Coulibaly (UPGC), Côte d’Ivoire)
  • Europe : Prof. Patrik Johannson (Chalmers, Suède), Dr. Maria Arnaiz et Dr. Jon Ajuria (CIC Energigune, Espagne).
  • France : Julio César De Luca et Yannick Amosse (IRT Jules Verne).

Personnes de l’IMN concernées : Thierry Brousse, Laurence Athouël, Olivier Crosnier, Camille Douard

Projets de recherche

  • Projet européen : Materials for sustainable sodium-ion capacitors (MUSIC), programme doctoral des batteries du futur (DESTINY).
  • Projets du PEPR Batteries (France 2030) : projet ciblé High Power and Hybrid Batteries (HIPOHYBAT, coordination).

Publications majeures

3- Microsupercondensateurs et ionogels

Caption : électrode de MnO2 sur un substrat microstructuré par gravure ionique réactive, avant et après le dépôt de ionogel (d’après B. Asbani et al 2020 J. Electrochem. Soc. 167 100551).

Les microdispositifs de stockage d’énergie sont considérés comme indispensables au développement de l’internet des objets (IoT). Densités d’énergie et de puissance doivent être soigneusement équilibrées dans ces microsystèmes (>0.5 mWh/cm2, >10 mW/cm2). Si les microbatteries représentent l’autonomie des systèmes (capteurs, micromachines, etc.), les microsupercondensateurs permettent d’absorber les pics de puissance lors des phases de mesures, réception, transmission d’information, etc.  Les matériaux pseudocapacitifs, tel que le nitrure de vanadium, sont des électrodes de choix pour ce type de microdispositifs, assemblés en configuration symétrique ou asymétrique.

L’électrolyte est souvent un point bloquant qui est abordé dans nos recherche sous la forme des ionogels. Ceux-ci permettent une compatibilité avec les process de la microélectronique (en particulier le procédé de « solder-reflow ») tout en maintenant les liquides ioniques confinés dans leur matrice solide en silice ou en polymère. Ces électrolytes sont également utilisés dans des batteries tout solide.

Comme pour leurs homologues macro, les microdispositifs intègrent également des électrodes de batterie de puissance déposées par pulvérisation cathodique multicibles (niobates en particulier). Au-delà des microdispositifs, l’étude des films minces de matériaux pseudocapacitifs permet une approche fondamentale des phénomènes de stockage de charge.

Expertises : Dépôts de films minces, pulvérisation cathodique, dépôts sol-gel,

Mots clés : Supercondensateurs, batteries de puissance, systèmes hybrides, lithium-ion capacitor, sodium-ion capacitor, couches minces.

Collaborations 

  • International : Prof. Scott Donne (University of Newcastle, Australia)
  • Europe : Prof. Andrea Balducci (FSI Jena, Allemagne).
  • France : Prof. Christophe Lethien (IEMN), Prof. Marielle Huvé et Dr Pascal Roussel (ICCS), Prof. Patrice Simon et Dr. Pierre-Louis Taberna (CIRIMAT).

Personnes de l’IMN concernées : Thierry Brousse, Jérémy Barbé, Jean Le Bideau, Camille Douard

Projets de recherche 

  • Projets du PEPR Batteries (France 2030) : projet franco-allemand Batteries de puissance tout-solide (HIPOBAT).
  • Projet ANR : Micro-condensensateur 3D hybride, compact et tout solide Pour l’électronique haute tension à Charge rapide (MEMPACAP), Electrodes 3D pour les microsupercondensateurs (PERFORM).

Liste de publications majeures