SITA - HORIZON-CL5-2021-D3-02
(Projet SITA)

Septembre 2022 - Août 2025

Partenaire IMN du projet : Nicolas BARREAU (équipe MIOPS)

Personnels IMN impliqués : Thomas LEPETIT (équipe MIOPS)

Coordinateur :
Uppsala University

Partenaires :
Martin-Luther-Universitat Halle-Wittenberg
Université du Luxembourg
Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GMBH
Interuniversitair Micro-Electronica Centrum
Laboratorio Iberico Internacional de Nanotecnologia
Eidgenossische Materialprüfungs und Forschung Baden-Württemberg
Sunplugged - Solare Energiesysteme GMBH
Meyer Burger GMBH
Vlaamse Instelling voor Technologisch Onderzoek N.V.
Roltec Sp. zo.o.

Exploring innovative concepts for tandem solar cells towards a sustainable, resilient, and inclusive energy future.

SITA aims to explore an innovative concept for tandem solar cells with a 2-terminal (2T) approach based on two technologies with strong competence base in Europe: Silicon Heterojunction (SHJ) and high bandgap Cu(In,Ga)(Se,S)₂ (CIGS).

The novel tandem concept – that requires no additional cables or electronics - is enabled by recent developments in wide-gap CIGS devices leading to high efficiency (>18%). SITA will demonstrate the durability of the new modules under realistic outdoor conditions delivering the next generation of stable inorganic tandem solar modules with superior device efficiency (>30%).

SITA’s technology will build on and increase the efficiency of SHJ modules by a factor of 1.5, with a marginal increase in the use of the costliest raw materials. This, in turn, leads to a considerable reduction in area-related system costs of up to 25% per installed power and a corresponding decrease in the levelized cost of electricity (LCOE).

Tandem-junction efficiencies have recently approached or even surpassed the single-junction Shockley-Queisser limit for prototype devices. SITA will address the remaining limitations in terms of stability, scaling, manufacturing costs, and environmental impact.

Electrolyte innovant et cathode organique ou soufrée pour une batterie Magnésium performante
(Projet-ANR-18-CE05-0022)

Octobre 2018 - Septembre 2022

Partenaire IMN du projet : Philippe POIZOT   (équipe ST2E)

Coordinateur :
Laboratoire d'Electrochimie et de Physico-chimie des Matériaux et des Interfaces (LEPMI Gtrnoble)
Partenaires :
Institut de chimie moléculaire et des matériaux (ICGM Montpellier)

Notre société moderne est largement tributaire des ressources en énergie. Les préoccupations environnementales liées à l'utilisation de combustibles fossiles ainsi que leur quantité limitée imposent le développement d’énergie électrique à partir de sources renouvelables. Ces sources renouvelables ont besoin d'un stockage d'énergie électrique pour pallier l'intermittence de leur production d'énergie. Le développement des véhicules hybrides et électriques accentue la demande d’un stockage efficace, écologique et économique de l'énergie électrique. Depuis leur apparition commerciale, les batteries Li-ion ont inondé le marché du stockage de l'énergie, la production de lithium a doublé au cours des dix dernières années Même si les réserves de lithium semblent être importantes, leurs concentrations dans certaines zones géographiques en font un métal stratégique. De plus, le lithium métal ne peut pas être utilisé, comme électrode négative ultime en présence d’un électrolyte liquide en raison de problèmes de sécurité liés à la formation de dendrites très réactives. De ce fait, le développement de dispositifs rechargeables utilisant des électrodes métalliques, plus stables est au cœur d’une activité de recherche qui s’est récemment intensifiée. Dans ce contexte concurrentiel, les batteries au magnésium présentent des caractéristiques très intéressantes, en termes de performances, de coût, de sécurité et de moindre impact sur l’environnement. L'émergence d’une batterie magnésium commerciale présentant des performances concurrentielles à celles des batteries Li-ion est cependant conditionnée au développement de nouveaux électrolytes et matériaux d’électrode dépassant l'état de l’art actuel. En effet, l'utilisation de cations divalents, Mg2+, impose le développement de stratégies en rupture à celles développées pour le Li-ion, tant au niveau du design de nouveaux sels de magnésium que de matériaux d'électrode positive adaptés au caractère divalent du magnésium. De nombreuses avancées scientifiques sont nécessaires pour proposer des électrolytes non corrosifs, stables électrochimiquement dans une large plage de potentiel, permettant la réversibilité de l’électrode de magnésium et des électrodes positives présentant des capacités et potentiel permettant des densités d'énergies élevées.

Ainsi le projet MAIOSC, "MAgnesium batteries with innovative electrolyte and efficient Organic or Sulfur Cathodes", vise à adresser ces verrous scientifiques et propose des électrolytes et des électrodes positives performantes comprenant soit un matériau organique, soit du soufre, couplés à une négative en magnésium métallique. En effet, contrairement aux matériaux actifs inorganiques, les matériaux d'électrode organiques et les électrodes de soufre s’adaptent bien au caractère divalent du Mg2+, et ouvre ainsi un large potentiel d’étude permettant le développement d'électrodes innovantes et performantes.

Cet aspect matériaux innovants du projet est couplé à une approche fondamentale d'études des électrolytes et des interfaces électrode métallique Mg/électrolyte afin d'avancer dans la compréhension de l'effet de complexation en solution du magnésium II sur la réactivité aux interfaces par des mesures in situ et operando.

De plus les solutions innovantes et performantes proposées dans le projet sont, respectueuses de l’environnement par l’utilisation d’une chimie verte pour la synthèse des matériaux d'électrode positive et permettront, à moyen terme, le développement de la technologie batterie magnésium

PEPR Hydrogène décarboné FLEXISOC : FLEXIbilité des cellules SOC vis-à-vis du combustible
(Projet PEPR PROTEC)

Juin 2022 - Mai 2027

Coordinateur du projet : Annie LE GAL LA SALLE   (équipe ST2E)

Partenaires :
FEMTO-ST Institut Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies
Institut de Chimie de la Matière Condensée (ICMCB Bordeaux)
Institut de chimie et procédés pour l’énergie, l’environnement et la santé (ICPEES Schiltigheim)
Institut de Recherche sur les Céramiques (IRCER Limoges)
Institut de Recherche de Chimie (IRCP Paris)
Institut des Sciences Chimiques (ISCR Rennes)
Laboratoire Plasma et Conversion d'Energie (LAPLACE Toulouse)
Laboratoire Georges Friedel (LGF Saint-Étienne)
Unite de Catalyse et Chimie du Solide (UCCS Lille)
Structures, Propriétés et Modélisation des Solides (SPMS Gif-sur-Yvette)


Personnels IMN impliqués :
Olivier JOUBERT (PR UNIV), Clément NICOLLET (CR CNRS), Eric QUAREZ (CR CNRS)

Actuellement, la conversion de l’hydrogène en électricité dans des systèmes piles à combustible à membrane polymère se positionne à un haut niveau de maturité technologique, mais nécessite de l’hydrogène de très haute pureté. Les piles à combustible haute température à membrane céramique (SOC : Solid Oxide Cell) à conduction anionique ou protonique, bien que moins matures, permettent l’utilisation de combustibles variés, et peuvent fonctionner en mode réversible alternant les fonctions d’électrolyseur et de générateur. L’objectif du projet est donc de mettre au point une cellule complète à la fois robuste et flexible vis-à-vis du combustible, et fonctionnant à relativement basse température (600°C). Ce projet s’articule autour de plusieurs axes, à savoir l’identification de nouveaux matériaux capables d’activer les réactions de reformage interne tout en présentant une bonne tolérance aux poisons de catalyseur généralement rencontrés dans ces systèmes (CO, suies, H₂S), l’architecturation des électrodes pour mettre en œuvre les matériaux sélectionnés, la mise en forme des matériaux d’électrolyte et l’assemblage des cellules avec la mise en œuvre d’interfaces, ainsi qu’une approche par modélisation afin d’optimiser les conditions de fonctionnement des dispositifs et limiter ainsi l’encrassement.

En pratique, la mise au point de catalyseurs actifs et stables à plus basse températures que ceux existant actuellement, avec une cible de vitesse de formation de carbone autour de 0,5 mg_carbon g_cat^-1 h^-1 à 600°C, constituera la première brique du projet. Simultanément, les matériaux d’électrodes à combustible seront adaptés afin de les rendre tolérants à plusieurs polluants, et notamment le sulfure d’hydrogène, en visant des valeurs tolérables minimum en fin de projet de 3 à 5 ppm. De même, la partie électrolyte sera optimisée, notamment en termes de composition et d’épaisseur, avec comme objectif une épaisseur maximale de 10-20 microns.  L’accroissement de la durée de vie des systèmes grâce au contrôle complet du système sous atmosphères diverses et de façon automatisée, ainsi que la mise au point de stratégies efficaces de nettoyage compléteront le projet. Pour la co-génération et mobilité lourde, avec reformage et désulfuration, la durée de vie visée en 2024 est de 60 000h, avec des rendements de Rdt_el > 45% PCI et Rdt_th > 25% PCI. Dans le cas du projet FLEXISOC, avec une cellule permettant de s’affranchir de ces étapes amont, une durée de vie de 30 000 h est visée. Finalement, l’objectif de densité de puissance de la cellule complète, qui permettrait à la fois de faire du reformage interne, de résister à une teneur de 5 ppm de H₂S, et de présenter une durée de vie satisfaisante pourrait être de 1 W cm^-2 en 2027.

PEPR Hydrogène décarboné PROTEC : Développement de cellules d'électrolyse à base de céramiques à conduction protonique
(Projet PEPR PROTEC)

Avril 2022 - Mars 2027

Partenaire IMN du projet : Eric QUAREZ   (équipe ST2E)

Coordinateur :
Institut de chimie moléculaire et des matériaux (ICGM Montpellier)
Partenaires :
FEMTO-ST Institut Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies
Structures, Propriétés et Modélisation des Solides (SPMS Gif-sur-Yvette)

Unite de Catalyse et Chimie du Solide (UCCS Lille)
Institut de Chimie de la Matière Condensée (ICMCB Bordeaux)
MINES ParisTech / Ecole Nationale Supérieure des Mines de Paris / Paris Sciences et Lettres
Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne (ICB Dijon)

Dans un futur proche, la production d’hydrogène vert par électrolyse jouera un rôle majeur dans la décarbonations des procédés industriels, la stabilité des réseaux électriques et le développement de la mobilité hydrogène, sous réserve que cette technologie soit compétitive (faibles coûts) et efficace. En effet, dans la mesure où l’hydrogène est produit avec des rendements élevés, des coûts d’investissement et d’opération réduits et une empreinte carbone maîtrisée, il jouera un rôle majeur dans le cadre de la transition écologique. 

Opérant dans la gamme de température 400-600°C, les dispositifs intégrant des céramiques à conduction protonique (PCEC : Proton Ceramic Electrolysis Cells) sont particulièrement prometteurs pour plusieurs raisons : ils produisent un hydrogène sec, sont supposés être plus durables que leurs analogues opérant à hautes températures et présentent une réversibilité et une flexibilité facilitées par leur principe de fonctionnement. Malgré ce fort potentiel, le développement des PCEC demeure limité comparé à celui des dispositifs haute température basés sur la conduction anionique.  Le projet PROTEC a pour objectif de développer des cellules PCEC performantes (0,8 A/cm² à 1,3 V à 600°C, durables (taux de dégradation < 2% / 1000h), et de taille significative (F = 25 mm puis 50 mm). Pour atteindre cet objectif, une séquence de procédés sera mise au point pour la fabrication de cellules de génération 1, constituées des matériaux de référence (Ni-BCZY, BCZY, BSCF) ; une mise à l’échelle progressive, intégrant des composants et interfaces plus fonctionnels, sera ensuite effectuée. Ainsi, l’optimisation des matériaux et des assemblages conduira aux cellules de génération 2, à performances et durabilité accrues. Une attention particulière sera portée au développement expérimental, à la normalisation des protocoles de fabrication et de test, au développement d’outils et de méthodologies de recherche dédiés et partagés. Les livrables finaux du projet PROTEC seront une séquence de procédés de fabrication qualifiée et des cellules de taille semi industrielle performantes et durables. La réalisation d’un short stack (3 cellules), de tests de réversibilité et de longues durées, sera programmée sur les cellules de génération 2. Ce projet a pour ambition de conforter la position de 8 laboratoires associés au CNRS, reconnus internationalement pour leur expertise dans le domaine des céramiques à conduction protonique, et de contribuer à l’émergence d’une filière hydrogène française.

[widgetkit id="2" name="Stockage et Transformation Electrochimiques de l’Energie"]

Afin de construire et consolider un leadership français dans des domaines scientifiques considérés comme prioritaires, des Programmes et Equipements Prioritaires de Recherche (PEPR) ont été mis en place.

Le PEPR Hydrogène décarboné, piloté scientifiquement par le CEA et le CNRS a inauguré le lancement des PEPR en 2021. Le but de ce programme est de soutenir des activités de R&D en amont au plus haut niveau mondial tout en appuyant les industriels de la filière hydrogène en suivant les priorités définies par la stratégie nationale.

L’activité de l’équipe ST2E se fonde sur la synthèse et la caractérisation de matériaux et sur l’analyse des mécanismes susceptibles d'intervenir dans le fonctionnement de dispositifs de stockage ou de transformation électrochimique de l’énergie.

L'équipe est structurée en 3 thèmes de recherche : Batteries & Spectroscopie, Supercondensateurs, Piles à combustibles & électrolyseurs

L'équipe regroupe 18 chercheurs permanents et une vingtaine de non-permanents avec des compétences dans les domaines de la physico-chimie des oxydes, de la chimie inorganique et organique, de l’électrochimie, de la modélisation et de la science des matériaux dont leur mise en forme dans des dispositifs. Le cœur des activités de recherche de l’équipe porte sur des matériaux d’électrodes conducteurs mixtes ionique et/ou électronique et des électrolytes solides conducteurs ioniques avec comme objectifs d'améliorer les performances énergétiques, la fiabilité, la durée de vie, la sécurité des systèmes en cours de développement ou commercialisés. Il s'agit par exemple d'élargir la gamme de température d'utilisation, en modifiant les matériaux existants, en concevant de nouveaux matériaux et en contrôlant toutes les interfaces. Les aspects recyclage et éco-conception sont aussi traités.

Notre recherche a donné lieu sur les 5 dernières années à :

• 234 publications avec comités de lecture (3800 citations)
• 13 brevets
• 124 conférences invitées internationales
• 24 organisations de congrès internationaux